Мощность турбины самолета: Сколько лошадиных сил может быть у самолетов, поездов и пароходов

Сколько лошадиных сил может быть у самолетов, поездов и пароходов

Авиация

Airbus A380 располагает четырьмя моторами и где-то 110 000 л.с. «на круг«Первому самолету (братьев Райт — верно), чтобы подняться в воздух, хватило 40 л.с., а теперь давайте сразу к разоблачениям: современные самолеты, располагая сотнями «лошадей», вряд ли даже оторвутся от полосы. Это крохотная Cessna-182 массой в 900 кило может довольствоваться всего 230 л.с., а вот коммерческому Boeing-737 с его 190 посадочными местами (кстати, такой себе средний самолетик по меркам пассажировозов с крыльями) не помешала бы пара тысяч «лошадок». Они у него есть: два турбовентиляторных мотора CFM выдают тягу до 12 тонн силы каждый, что в общей сложности можно назвать 25 000 лошадиными силами на взлете.

Нужны штуки помощнее? Что ж, у дальнемагистрального Boeing 777 есть два двигателя размером с торговый ларек, по 570 000 ньютонов (примерно по 45 000 лошадиных сил) каждый. А самый крутой из «Эйрбасов» — двухэтажный 280-тонный Airbus A380 — располагает четырьмя моторами и где-то 110 000 силами «на круг».

Кстати, эта цифра не так уж далека от той, что выдают шесть моторов Ан-225 — самого большого транспортника в мире. Самолет, способный взять на борт что угодно вплоть до 200-тонной электростанции или космического челнока и поднять это хозяйство на высоту 12 км, «выдает» эквивалент 111 000 лошадиным силам. Как говорится, вот тебе, бабушка, и Golf GTI…

Суда

На флоте (военном или гражданском) все немножечко проще. Чтобы понять и оценить мощность плавсредства (авианосца «Мистраль» или лодочного мотора), необязательно вооружаться калькулятором и учебником по математике и переводить все эти килограммы силы и килоньютоны во что-то привычно-осязамое — как правило, здесь мощность мотора указана именно в «кониках».

Крейсер «Петр Великий» оснащен атомным двигателем мощностью 140 000 л.с.Простой пример — рыбалка. Чтобы поохотиться на карпа с середины озера, вам нужна лодка. Пожалуйста, на выбор подвесные моторы мощностью от 2 до 300 лошадиных сил. Конечно, для более крупной охоты и целой тысячи сил мало. Например, мощность двух газотурбинных установок General Electric американского эсминца Carney класса «Арли Берк» (с управляемыми ракетами), направленного ВВС США в Средиземное море, составляет 108 000 лошадиных сил. Кстати, форсажная мощность уже дежурящего там российского ракетного крейсера «Москва» чуть-чуть ниже — около 90 000 л.с. Зато крейсер «Петр Великий», гордость военного флота России, все же помощнее — 140 000 «лошадей», правда, по большей части атомных.

А что на гражданке? Ну, теплоход «Москва», что курсирует по водным артериям столицы, по мощности сопоставим с горячей Audi RS 3 или самым слабым из Mercedes-Benz Gelandewagen (несмотря на силовую установку из двух танковых V12). Штуки побольше, типа австралийского парома The Cat, располагают тысячами лошадиных сил (у аэродинамического The Cat их 38 000, как у 25 Bugatti Chiron). В классе частных суперъяхт сейчас лидируют штуки в миллиард долларов, но у них редко отыщешь больше 40 тысяч сил. И чтобы пощекотать себе нервы реально большими цифрами, лучшее решение — смотреть в сторону океанских лайнеров. Например, мировой гигант — Oasis of the Seas, оснащенный тремя 1050-литровыми V12 и тремя 1400-литровыми V16, имеет суммарный объем 7 350 литров и суммарную же мощность 136 900 сил. Туше!

Поезда

Брянский тепловозов ТЭМ18 снабжен четырехтактным дизелем мощностью как у Bugatti Veyron Grand Sport VitesseЖелезные дороги — мир больших цифр в плане расстояний, но никак не мощности. Верно? А если вспомнить типичный прогон товарного состава через переезд, когда в ожидании проезда десятков составов успеваешь выспаться? То-то же. Причем, что удивительно: на то чтобы тягать почти сотню вагонов угля, нефтепродуктов, тачек и прочей почты, хватает усилий двух-четырех тепло- или электровозов. Какая мощность у этих силачей?

Ну, пожалуй, самый известный и узнаваемый из тепловозов — маневровый (читай, для работы на небольших расстояниях) брянский ТЭМ18. Он снабжен четырехтактным дизелем и обладает мощностью целого

Bugatti Veyron Grand Sport Vitesse — солидными 1 200 лошадиными силами. Правда, скорость у «восемнадцатого» никакие не 400 км/ч, а жестко конструкционная «сотка». Впрочем, и она для 126-тонной махины — почти что достижение.

6 000 «лошадей» — цифры поинтереснее. Примерно столько выдают два дизеля двухсекционного магистрального 2ТЭ10В — как правило, именно этот тепловоз можно встретить во главе длинного товарного состава из цистерн, платформ и хопперов. Что касается новинок, то, к примеру, часовая мощность новенького электровоза 2ЭС10 «Гранит» (с возможной нагрузкой в 7 000 тонн) составляет 8 800 кВт, что эквивалентно 12 000 привычным нам лошадиным силам. А знаменитый «Сапсан» (или Siemens Velaro), курсирующий из Москвы в Питер и Нижний Новгород и способный разгоняться до 250 и даже 300 км/ч, имеет выходную мощность в 8 000 кВт — условно говоря, как у двух электричек, ездящих от Казанского вокзала.

Космос

Если споры о мощности зашли так далеко, то лучше сразу забыть про десятки, сотни и даже тысячи лошадиных сил. В сфере, построенной на желании преодолеть притяжение Земли, такие вещи как чип-тюнинг или расточка блока ради лишних 10 л.с. — все равно что пшик. Еще в 1960-е годы (полвека назад, на секундочку) часто произносимой фразой в мире ракетостроения была — приготовьтесь! — «расчетные 20 миллионов лошадиных сил». Съели?! Ракета «Протон» с ее 900 тонн тяги — 60 миллионов «лошадей». «Сатурн-5» — 3 000 тонн тяги и 200 миллионов «лошадей». И плевать на то, что эти «лошади», по сути, мало что говорят о характеристиках ракеты. Цифры — просто космос.

Фото © Ironjohn | Dreamstime.com

Двигатель для Boeing 777X официально признан самым мощным в мире

Крупнейший в мире двигатель для коммерческих воздушных судов — GE9X, устанавливаемый на новый широкофюзеляжный самолет Boeing 777X, был признан самым мощным в мире. Об этом сообщили производитель силовой установки компания General Electric совместно с представителями компании, занимающейся фиксированием показателей для «Книги рекордов Гиннесса», — в рамках празднования 100-летнего юбилея GE. 

Двигатель выработал рекордную тягу в размере 60,9 т (134,3 тыс. фунтов) в ходе испытаний 10 ноября 2017 г. на полигоне General Electric в Пиблз (штат Огайо). Для сравнения: двигатели истребителя F-16 способны произвести тягу в размере 12,2 т (27 тыc. фунтов). 

Предыдущий рекорд самого мощного двигателя для коммерческих воздушных судов принадлежал силовой установке GE90-115B. Двигатель, разработанный для Boeing 777, в 2002 г. произвел тягу в размере 58 т (127 тыс. фунтов). 

Напомним,что  в начале лета американский авиастроитель Boeing и General Electric столкнулись с технической неисправностью силовой установки GE9X. В начале июня на стадии финальных сертификационных испытаний ТРДД в передней части 11-ступенчатого компрессора высокого давления GE9X была обнаружена «аномалия». 

«Это механическая проблема, она никак не связана с общей характеристикой двигателя или с тем, как он был произведен. Это не аэродинамическая проблема», — рассказывал глава GE Aviation по программе GE9X Тед Инглинг. В результате было принято решение о переносе первого полета 777X.

На данный момент на силовую установку получено более 700 заказов от таких авиакомпаний, как ANA, British Airways, Cathay Pacific, Emirates, Etihad, Lufthansa, Singapore Airlines и Qatar Airways. 

Производитель надеется сертифицировать двигатель до конца этого года. Этап окончательных летных испытаний GE9X, подтвердивший параметры для прохождения сертификации со стороны Федеральной авиационной администрации (FAA) США, был завершен в начале мая. 

Что мощнее: Поезд или самолет

Поезд против самолета: Где больше мощность?

 

Современный прогресс в автопромышленности привел к тому, что уже не редкость легковые автомобили мощностью 1000 л. с. и более, тогда как еще совсем недавно подобная мощность казалась фантастикой. Но все мы знаем, что легковые авто не эталон мощности транспортных средств.

 

На земле уже давно существует другой транспорт с невероятной мощностью. Например, ни у кого не вызывает сомнения, что современные поезда и самолеты мощнее большинства современных автотранспортных средств. Но задумывались ли вы, кто из них круче? Давайте разберемся.

 

Прежде всего, позвольте мне сразу отметить, что двигатели поездов и двигатели самолетов весьма отличны по своей конструкции и смыслу работы и имеют совершенно разные сферы применения. Мало того, даже мощность этих силовых агрегатов измеряется с помощью разных единиц.

 

Так, самолетные турбодвигатели обычно измеряются силой тяги (F), а двигатели локомотивов поездов – в лошадиных силах / кВт (Р). Эти две меры мощности связаны друг с другом простой формулой:

 

 

Чтобы вычислить мощность двигателя самолета, нужно знать скорость своего авиапутешествия. То есть скорость самолета.

 

Для того чтобы выяснить, какой вид транспорта мощнее, нужно для начала понять, какие транспортные средства сравнивать. Ведь в мире используется огромное количество разнообразных поездов и самолетов, которые комплектуются многочисленными модификациями силовых установок.

 

Для наглядности я решил использовать при сравнении самый мощный серийный самолет, который комплектуется двигателем, занесенным в Книгу рекордов Гиннеса как самый мощный и большой авиадвигатель в мире. Также для сравнения локомотива я выбрал самый мощный поезд в мире.

 

Самым мощным одиночным локомотивом в мире, который когда-либо строился за всю историю железнодорожного транспорта, является EMD DDA40X весом в

230 тонн и длиной в 30 метров. Мощность этого ж/д монстра составляет 6600 л. с.

 

 

Самым мощным и большим серийным реактивным авиадвигателем является GE90-115B.  Этот турбированный реактивный мотор весит чуть больше 8 тонн (8282 кг) и имеет максимальную мощность 568,9 кН тяги. Диаметр турбины составляет 3,25 метра, длина – 5,5 метра, а ширина – 3,4 метра.

 

 

Двигатели GE90-115B  применяются в самолетах Боинг-777. Правда, из-за особенностей конструкции самолетов все мы знаем, что двигатели используются парами. Поэтому для справедливого сравнения мощности самолета и ж/д локомотива сравним только один реактивный двигатель Боинга-777 с двигателем поезда EMD DDA40X.

 

 

Давайте, зная технические характеристики Боинга-777 с двигателями GE90-115B, вычислим мощность одного реактивного турбодвигателя. Максимальная крейсерская скорость составляет чуть более 900 км/час. Если быть точнее, то 905 км/ч. Округлим для удобства подсчета это значение до 900 км/ч.

 

 

 

Получается, что скорость Боинга-777 с двигателем GE90-115B составляет 250 метров в секунду. Теперь вычислим мощность двигателей:

 

P = 568,9 * 1000 * 250 = 142 225 000 Вт, или 190 726,867 л.с.

 

Разделим полученную мощность на 2 двигателя, получим 95 363 л. с.

 

Как видите, самый мощный самолетный двигатель производит в 15 раз больше лошадиных сил, чем самый мощный серийный ж/д поезд на планете.

 

Соответственно, при таком простом сравнении ответ на вопрос «Что мощнее – самолет или поезд?» будет однозначным: самолет.

 

Однако не все так просто. Дело в том, что это неправильное или, точнее сказать, несправедливое сравнение. И вот почему.

 

Во-первых, условия работы обоих двигателей – это два совершенно разных мира. И несмотря на то что железнодорожный локомотив фактически весит столько же, сколько некоторые Боинги-777 с пассажирами и грузом, все равно сравнивать два двигателя друг с другом не совсем справедливо. На самом деле сравнивать авиа и ж/д технику лучше не по мощности, а по их возможностям.

 

Вот тут, конечно, мировые рекордсмены совсем иные. Например, советский, ныне эксплуатируемый Украиной транспортный реактивный самолет Ан-225 «Мрия» является самым большим и самым грузоподъемным самолетом в мире. Самолет Ан-225, оснащенный 6 двигателями, держит мировой рекорд подъема полезной нагрузки, составляющий 190 тонн.

 

Что касаемо железнодорожной техники, то пальма первенства также принадлежит нашей стране, где еще в 1989 году был зафиксирован мировой рекорд по перевозке несколькими тепловозами грузового состава длиной 6,5 километра. Тогда грузовой состав, состоящий из 439 вагонов, с помощью нескольких ж/д тепловозов перевез 434 000 тонны угля из Экибастуза на Урал. 

В итоге, сравнивая эти два мировых рекорда по перевозке груза самолетом и поездом, видно, что самый тяжелый груз, перевозимый когда-либо по железной дороге, был в 230 раз тяжелее самого груза, который мог перевозить самый грузоподъемный реактивный самолет.

 

Так кто мощнее или сильнее? Как видите, все зависит от того, для чего вы сравниваете два совершенно разные транспортные средства.

 

Железнодорожный локомотив предназначен для производства огромного крутящего момента, для того, чтобы сдвинуть с места тяжелые вагоны с грузом. Например, стартовая сила тепловоза (локомотива) составляет 507 кН, что, как видите, сопоставимо с тягой реактивного самолета в 514 кН, которую авиадвигатель производит при движении самолета на уровне моря.

 

Но в отличие от самолета локомотив использует большую часть мощности для того, чтобы начать движение железнодорожного состава. Далее поезду не нужно столько энергии, чтобы двигать тяжелые вагоны. Также грузовой железнодорожный состав никогда не сможет достичь высоких скоростей.

 

Самолетный же двигатель в отличие от двигателя локомотива требует постоянной большой мощности не только для подъема авиалайнера, но и для того, чтобы достигать высокой скорости во время полета.

 

Именно поэтому редко когда можно увидеть грузовые поезда, движущиеся со скоростью более 130 км/ч. В большинстве случаев грузовой железнодорожный состав движется по ж/д путям с меньшей скоростью.

Пассажирские поезда по сравнению с грузовыми составами намного легче и могут двигаться со скоростью около 350 км/ч. Правда, это могут позволить себе только высокоскоростные специальные поезда, для которых построена специальная ж/д линия.

 

 

Напомним, что текущий рекорд скорости поезда на начало 2018 года составляет 574,8 км/час (округлим до 575 км/ч) и принадлежит он французскому поезду TGV POS 4402.

 

 

Рекорд скорости самолета в настоящий момент составляет 3530 км/час. Этот рекорд принадлежит американскому стратегическому сверхзвуковому самолету Lockheed SR-71 Blackbird. Таким образом, самый быстрый самолет в мире в 6 раз быстрее, чем самый быстрый поезд.

 

Поводя итог, хотел бы отметить, что детально и точно выяснить, какой вид транспорта мощнее, невозможно. Все зависит от критериев сравнения и с чем сравниваются транспортные средства.

Как видите, и самолет, и поезд имеют свои преимущества друг перед другом. То есть эти два вида транспорта нельзя сравнивать в принципе, поскольку их двигатели созданы совершенно для разных задач.

 

Так, авиационные двигатели предназначены преимущественно для скорости, тогда как двигатели железнодорожных локомотивов созданы для перевозки длинных тяжелых составов на большие расстояния.

Но если сравнивать по-простому (то есть только чистую производимую энергию), то, конечно, самолеты мощнее поездов.

пять фактов о новом российском двигателе

На прошлой неделе на иркутский авиазавод были доставлены первые турбореактивные двигатели ПД-14 производства ОДК. Они будут впервые установлены на новейший российский лайнер МС-21. Ожидается, что самолет с двигателями ПД-14 поднимется в небо уже в этом году.

Испытания МС-21 с двигателями ПД-14 – знаковое событие для отечественного авиастроения. В чем же их уникальность и почему ПД-14 считают одним из самых прорывных проектов в гражданской авиации за последние десятилетия?

1/ Первый постсоветский авиадвигатель

ПД-14 – первый турбовентиляторный двигатель, созданный в современной России. Последней аналогичной разработкой был авиадвигатель четвертого поколения ПС-90А, выпущенный в СССР в конце 1980-х.

Идея создания двигателя нового поколения появилась в начале 2000-х годов. Российской двигателестроительной отрасли требовался проект, который стимулировал бы ее развитие и помог устранить накопившееся технологическое отставание от стран-лидеров.

Конечно, подобный глобальный проект не мог быть реализован одним конструкторским бюро или заводом. Изначально закладывалось участие практически всех отечественных двигателестроительных предприятий и профильных НИИ. В 2006 году было подписано соглашение о создании двигателя, который получил название ПД-14 (перспективный двигатель тягой 14 т). Головным разработчиком стало пермское конструкторское бюро «ОДК-Авиадвигатель», а головным изготовителем «ОДК-Пермские моторы».

Первые наземные испытания ПД-14 прошли в 2012 году, первые летные – в 2015-м. В 2018 году Росавиация выдала двигателю сертификат типа, подтверждающий готовность изделия к серийному производству и эксплуатации.
 

2/ Новый двигатель для нового самолета

Первым самолетом, который ПД-14 поднимет в воздух, станет перспективный российский лайнер МС-21. Он относится к самому массовому сегменту пассажирских самолетов − ближне- и среднемагистральным узкофюзеляжным авиалайнерам. Как и новый двигатель, МС-21 является первым самолетом подобного типа, полностью разработанным и выпущенным в современной России.

МС-21 («Магистральный самолет XXI века») – самолет нового поколения, который объединяет в себе передовую аэродинамику, современную силовую установку и продвинутые системы управления, а также новые решения для комфорта пассажиров. МС-21 создавался для замены устаревшего Ту-154.

Работы над самолетом велись параллельно с разработкой двигателя. Недавно первые ПД-14 были переданы компании «Иркут» для установки на МС-21-300. На данный момент собрано четыре опытные машины. Пятый самолет, предназначенный для полетов с ПД-14, находится в сборке. Летные испытания двигателя в составе МС-21-300 должны пройти в 2020 году.

Вместе с такими перспективными моделями отечественного и совместного производства, как Ил-114, SSJ100 и CR929, самолет МС-21 обеспечит полноценное присутствие нашего авиапрома на мировом рынке гражданских лайнеров. По прогнозам экспертов, МС-21 может занять от 5 до 10% мирового рынка в своем сегменте.
 

3/ Один из немногих в мире

В мире существует всего четыре государства, способные по полному циклу создавать современные турбовентиляторные двигатели: Россия, США, Великобритания и Франция. И каждое из них строго охраняет результаты исследований и свои ноу-хау в двигателестроении. Например, Франция производит горячие части двигателей SaM‑146 только на своей территории.

Одним из показателей уровня двигателестроения в стране является собственное производство лопаток турбин для авиадвигателей. В нашей стране такое производство есть. А в декабре 2019 года на базе рыбинского предприятия «ОДК-Сатурн» открылся крупнейший в России центр по изготовлению лопаток турбин с годовой мощностью в 2 тыс. комплектов. 

Проект ПД-14, помимо создания самого двигателя, включает в себя важнейший элемент – обеспечение послепродажного обслуживания. Планируется большой объем работы по этому направлению: создание центра поддержки с круглосуточной работой 365 дней в году, открытие сети полевых представительств, станций обслуживания двигателей, обеспечение замены модулей в эксплуатации. Ожидается, что это все в совокупности должно увеличить зарубежные перспективы нового российского двигателя.
 

4/ Новые технологии и материалы

Разработка современного турбореактивного двигателя – более длительный процесс, чем разработка самого самолета. ПД-14 разрабатывался на основе проверенных временем конструкторских решений с применением современных технологий. При этом ставилось условие использовать только отечественные материалы. Конструкторами было разработано и внедрено 16 ключевых технологий, например, лопатки турбины из легчайшего интерметаллида титана или продвинутая система охлаждения, позволяющая турбине работать при температуре до 2000 °К.

При создании двигателя применяются новые российские сплавы титана и никеля. Конструкция мотогондолы на 65% состоит из отечественных полимерных композитов, благодаря чему достигается необходимый уровень шумоизоляции и снижается масса двигателя. Всего в двигателе задействовано около 20 новых российских материалов, при этом все они прошли сертификацию по международным нормам.  

Внедренные инновации позволили снизить расход топлива, сделав ПД-14 более экологичным и экономичным. Предполагается, что эксплуатационные расходы ПД-14 будут ниже на 14-17%, чем у существующих аналогичных двигателей, а стоимость жизненного цикла ниже на 15-20%.   
 

5/ Не один двигатель, а целое семейство

Перед конструкторами стояла задача разработать унифицированный газогенератор, ключевой элемент двигателя, на базе которого можно было бы производить установки различных мощностей для использования в авиации и на земле.

ПД-14 – это первый двигатель в будущем семействе, разработанный для авиалайнера МС-21-300. Среди его ближайших «родственников», планируемых к выпуску − модификации ПД-14А для самолета МС-21-200 и ПД-14М для самолета МС-21-400. Двигатель ПД-8 сможет устанавливаться на самолеты Ан-148, Sukhoi Superjet 100, Sukhoi Superjet 75, Ту-334, Бе-200. Для Ил-96 и Ту-204 можно будет использовать ПД-18 тягой 18-20 тонн.

Сфера применения двигателей семейства ПД не ограничится летательными аппаратами. Турбореактивные двигатели на базе единого газогенератора можно будет использовать в промышленных целях в составе электрогенераторных и газоперекачивающих установок. 

Лопатки Airbus A320neo. Сколько стоит надежность двигателя

Федеральная авиационная администрация США (Federal Aviation Administration (FAA)) выпустила новую директиву по летной годности (AD) для некоторых двигателей 1100G-JM компании International Aero Engines (IAE) LLC Pratt & Whitney (PW).

В 750 000 долл. оценивается стоимость деталей для замены комплекта лопаток 3-й ступени лопастей вентилятора компрессора низкого давления (LPC). Федеральная авиационная администрация США (FAA) сообщила, что между 2017 и июнем 2019 года были получены данные о 21 случае отказа лопаток турбины низкого давления (LPT) 3-й ступени. Предполагается, что эти сбои были вызваны ударным повреждением, возникающим при прохождении посторонних предметов через двигатель. Директива по летной годности требует замены лопаток 3-й ступени LPT действует с 21 мая.

Если не принять меры, это может привести к: неконтролируемому разрушению лопаток 3-й ступени LPT, выходу из строя одного или обоих двигателей и потере контроля тяги; и потере самолета.

Необходимые действия должны быть выполнены при следующем проведении регламентных работ двигателя. Любые лопатки 3-й ступени LPT с сомнительными номерами деталей должны быть сняты с эксплуатации и заменены подходящими для установки.

Проблема не нова

Надежность и долговечность газотурбинных двигателей (ГТД) в целом определяются работоспособностью наиболее ответственных и нагруженных элементов, каковыми являются рабочие лопатки ГТД.

Согласно FAA, производитель определил необходимость замены лопаток 3-й ступени LPT на лопатки LPT, сделанные из другого материала, который более устойчив к ударным повреждениям.

Совершенство двигателя определяют лопатки турбин

Мощность любого теплового двигателя определяет температура рабочего тела — в случае реактивного двигателя это температура газа, вытекающего из камер сгорания. Чем выше температура газа, тем мощнее двигатель, тем больше его тяга, тем выше экономичность и лучше весовые характеристики.

В газотурбинном двигателе имеется воздушный компрессор. Его приводит во вращение газовая турбина, находящаяся с ним на одном валу. Компрессор сжимает атмосферный воздух до 6-7 атмосфер и направляет его в камеры сгорания, куда впрыскивается топливо — керосин. Поток вытекающего из камер раскаленного газа — продуктов сгорания керосина — вращает турбину и, вылетая через сопло, создает реактивную тягу и движет самолет.

Высокие температуры, возникающие в камерах сгорания и высокие скорости вращения потребовали создания новых технологий и применения новых материалов для конструирования одного из наиболее ответственных элементов двигателя — статорных и роторных лопаток газовой турбины. Они должны в течение многих часов, не теряя механической прочности, выдерживать огромную температуру, при которой многие стали и сплавы уже плавятся. В первую очередь это относится к лопаткам турбины — они воспринимают поток раскаленных газов, нагретых до температуры до 1950 К, а в новых двигателях она дойдет до 2000-2200 К. Для них уже разработаны высокожаропрочные сплавы, содержащие до пятнадцати элементов таблицы Менделеева, в том числе рений и рутений, и теплозащитные покрытия, в которые входят никель, хром, алюминий и иттрий, а в перспективе — керамические из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия.

Напряжения и повреждения

Силовая напряженность, теплонагруженность и повреждаемость деталей ГТД зависят от режимов работы двигателя, то есть зависят от функционального назначения двигателя.

При попадании во входное устройство двигателя постороннего предмета первыми движущимися деталями на его пути являются лопатки рабочего колеса осевого компрессора. Так как в компрессорах каждый следующий за рабочим колесом ряд направляющих лопаток неподвижен и препятствует любому движению посторонних частиц, сообщаемому им рабочими лопатками, то в многоступенчатом компрессоре при попадании посторонних предметов повреждения наносятся большей части всех лопаток.

Чувствительность осевого компрессора к повреждению от попадания посторонних предметов определяется консольным типом крепления лопаток и наличием у них тонких входных и выходных кромок. Если постороннее тело небольшое, а лопатки обычно изготавливают из легированных сталей и титановых сплавов, то непосредственный удар тела редко приводит к разрушению лопатки. Повреждение заключается, главным образом, в появлении небольших забоин и рисок на профиле лопатки. Эти повреждения сами по себе не опасны, но они, являясь концентраторами напряжений, увеличивают уровень локальных вибронапряжений и повышают вероятность разрушения лопаток от усталости.

В авиационной промышленности действует отраслевой стандарт, который предназначен для определения механических повреждений, допустимых при эксплуатации или подлежащих исправлению при различном виде ремонтах, или требующих замены поврежденных лопаток на двигателе. Стандарт четко определяет величины механических повреждений, допустимых при эксплуатации. Стандарт нормирует величины повреждений, которые подлежат ремонту или не допустимы на лопатках при эксплуатации, а также зоны, в которых такие повреждения не допускаются.

Но на лопатки турбин, кроме действия высоких температур, воздействуют также термические напряжения, возникающие при сменах режимов работы турбины, а также высокотемпературный коррозионно-эрозионный газовый поток. Важной причиной разрушения и снижения несущей способности турбинных лопаток также являются: — вибрационные напряжения и, как следствие, разрушение от усталости; — термическая усталость; — изменение свойств и структуры поверхностных слоев металла лопаток от длительной работы при высокой температуре; — коррозионно-эрозионные повреждения; — повреждения по механизму ползучести.

Источником возбуждения вибраций лопаток являются импульсы, возникающие при прохождении рабочих лопаток мимо сопловых лопаток. Вибрации могут возбуждаться также в результате неравномерностей, создаваемых газовыми потоками из отдельных камер сгорания.

Характерны также разрушения от совместного действия статической и вибрационной нагрузок. В этом случае разрушение происходит в корневом сечении пера или по ножке хвостовика елочного типа. Обычно трещины располагаются на входной и выходной кромках, иногда со стороны спинки лопатки. Скорость развития трещины зависит от ее положения по длине лопатки. Радиальные трещины на конце лопатки развиваются медленно и менее опасны по сравнению с поперечными, которые развиваются быстрее под действием центробежных сил, особенно у корневого сечения и по хвостовику лопатки.

Авторские права на данный материал принадлежат журналу «Наука и техника». Цель включения данного материала в дайджест — сбор максимального количества публикаций в СМИ и сообщений компаний по авиационной тематике. Агентство «АвиаПорт» не гарантирует достоверность, точность, полноту и качество данного материала.

Тяга самолета. Тяга двигателя самолета. Тяга реактивного двигателя.

 

Тяга – сила, выработанная двигателем. Она толкает самолет сквозь воздушный поток. Единственное, что противостоит тяге – лобовое сопротивление. В прямолинейном горизонтально установившемся полете они сравнительно равны. Если летчик увеличивает тягу путем добавления оборотов двигателя и сохраняет постоянную высоту, тяга начинает превосходить сопротивление воздуха. Летательный аппарат (ЛА) при этом ускоряется. Очень быстро сопротивление увеличивается и снова уравнивает тягу. ЛА стабилизируется на постоянной высокой скорости. Тяга – один из самых важных факторов для определения скороподъемности самолета, а именно насколько быстро ЛА может подняться на определенную высоту. Вертикальная скорость зависит не от подъемной силы, а от запаса тяги, которым обладает самолет.

 

Тяга реактивного двигателя самолета

 

Сила тяги двигателя, или его движущая сила, равноценна всем силам давления воздуха на внутреннюю поверхность силовой установки. Тяга некоторых видов реактивных двигателей зависит от скорости и высоты полета. Для вычисления силы тяги реактивного двигателя часто приходится определять тягу на конкретной высоте, у земли, на взлете и во время какой-либо скорости. Для ЖРД сила тяги равноценна произведению массы исходящих газов на скорость, с которой они вылетают из сопла двигателя.

Для ВРД (воздушно-реактивный двигатель) сила тяги измеряется как результат массы газов на разность скоростей, а именно скорости воздушной струи, выходящей из сопла двигателя, и скорости поступающего воздуха в двигатель. Проще говоря, данная скорость уравнивается к скорости полета самолета с реактивным двигателем. Тяга ВРД обычно измеряется в тоннах или килограммах. Важным качественным показателем ВРД является его удельная тяга. Для турбореактивного двигателя – тяга, отнесенная к конкретной единице веса воздуха, который проходит через двигатель в секунду. Этот показатель позволяет понять, насколько высока эффективность эксплуатации воздуха в двигателе для образования тяги. Удельная тяга измеряется в килограммах тяги на 1 кг воздуха, расходуемого за секунду. В некоторых случаях применяется другой показатель, который также называется удельной тягой, показывающей отношение количества топлива, которое расходуется, к силе тяги за секунду. Естественно, что чем выше показатель удельной тяги ВРД, тем меньше поперечный вес и размеры самого двигателя.

Показатель полетной или тяговой мощности – это сила, которая задействует реактивный двигатель при конкретной скорости полета. Как правило, измеряется в лошадиных силах. Величина лобовой тяги говорит о степени конструктивного оптимума реактивного двигателя. Лобовая тяга – это отношение наибольшего показателя площади поперечного сечения к тяге. Лобовая тяга равна тяге, в кг поделенной на площадь в метрах квадратных.

В мировой авиации наиболее ценится тот двигатель, который обладает высокой лобовой тягой.

Чем совершеннее ВРД в конструктивном отношении, тем меньший показатель его удельного веса, а именно общий вес двигателя вместе с приборами и обслуживающими агрегатами, поделенный на величину собственной тяги.

Реактивные двигатели, как и тепловые вообще, отличаются друг от друга не только по мощности, весу, тяге и другим показателям. При оценивании ВРД огромную роль играют параметры, которые зависят от собственной экономичности, а именно от КПД (коэффициент полезного действия). Среди данных показателей главным считается удаленный расход топлива на конкретную единицу тяги. Он выражается в килограммах топлива, которое расходуется за час на образование одного килограмма тяги.
 

Глава четвертая Достоинства и недостатки турбореактивного двигателя

Глава четвертая

Достоинства и недостатки турбореактивного двигателя

Турбореактивный двигатель уже давно вышел из «младенческого возраста» и стал совершенной и надежной машиной. Послевоенные годы были годами невиданного по размаху и быстроте технического перевооружения авиации — перехода на самолеты с реактивными двигателями.

Первой начала перевооружаться военная истребительная авиация, так как в воздушном бою при прочих равных условиях шансов на победу всегда больше у того самолета, который обладает большей скоростью полета.

Вслед за истребителями турбореактивные двигатели стали устанавливаться и на другие самолеты военной авиации. Появились реактивные самолеты-бомбардировщики сравнительно небольшого радиуса действия (так называемые фронтовые), разведчики, штурмовики и, наконец, тяжелые дальние бомбардировщики.

Появились реактивные двигатели и в гражданской авиации. Пассажирские и транспортные реактивные самолеты совершают регулярные рейсы на авиалиниях гражданской авиации. Не далеко то время, когда можно будет попасть из Москвы в Ленинград за полчаса, затратив больше времени на то, чтобы добраться из города до аэродрома. Перелет же из Москвы до Владивостока возможно будет совершать всего за один день.

Реактивные самолеты летают сейчас по крайней мере в полтора раза быстрее и на несколько километров выше, чем самолеты с поршневыми двигателями. Об успехах, достигнутых реактивной авиацией в борьбе за увеличение скорости и высоты полета, свидетельствуют официальные мировые рекорды, поставленные в 1955 г.: скорость полета — 1323 км/час, высота — 20079 м. Имеются все основания полагать, что эти рекордные показатели в настоящее время превзойдены.

В чем же секрет успехов, достигнутых в развитии турбореактивного двигателя? Почему его применение на самолетах означает качественно новую ступень развития авиации?

Этот «секрет» состоит в том, что турбореактивный двигатель при большой скорости полета может развить мощность, в несколько раз превосходящую мощность самых совершенных поршневых двигателей, при значительно меньшем весе, приходящемся на одну лошадиную силу. А ведь именно это, как указывалось выше, и необходимо для двигателя скоростного самолета.

Какую же мощность развивают современные турбореактивные двигатели? Эту мощность можно определить, если известна тяга двигателя и скорость полета.

Современные турбореактивные двигатели при испытании на стенде или при стоянке самолета развивают тягу до 5000—6000 кг и более. Но чтобы определить мощность двигателя, нужно знать его тягу не на стоянке, а в полете с большой скоростью. Чему же равна эта тяга? Выше было указано, что тяга поршневого двигателя с винтом с ростом скорости полета уменьшается обратно пропорционально скорости. Иначе ведут себя в этом отношении турбореактивные двигатели — с ростом скорости полета их тяга сначала несколько уменьшается, а потом снова возрастает и при полете со скоростью, близкой к скорости звука, турбореактивный двигатель развивает такую же (или даже большую) тягу, как и при стоянке. В этом и заключается огромное преимущество турбореактивного двигателя перед поршневым авиационным двигателем с винтом.

Такое различие объясняется тем, что в работе поршневого двигателя при увеличении скорости полета не происходит существенных изменений и его мощность остается почти неизменной. В работе турбореактивного двигателя при увеличении скорости полета происходят существенные изменения. Расход воздуха через двигатель при этом увеличивается, увеличивается также давление воздуха за турбиной, а значит, и скорость истечения газов из двигателя.

Какую же мощность будет иметь турбореактивный двигатель, развивающий тягу Р = 6000 кг при полете со скоростью V, равной, допустим, 1260 км/час или 350 м/сек? Эта мощность, очевидно, будет равна

Огромная мощность! А ведь тяга, равная 6000 кг, не является пределом для турбореактивного двигателя, так же как и скорость 350 м/сек не является предельной скоростью полета реактивного самолета.

Вместе с тем турбореактивный двигатель, развивающий такую огромную мощность, весит меньше, чем поршневой авиационный двигатель мощностью примерно 4000 л. с. В этом нет ничего удивительного, если учесть, что в поршневом авиационном двигателе действуют большие силы, резко меняющиеся по величине и направлению. Достаточно указать на то, что при вспышке в цилиндрах поршневого двигателя давление мгновенно возрастает почти до 100 кг/см². Для того чтобы выдержать возникающие при этом нагрузки, основные силовые детали поршневого двигателя должны быть очень прочными, а следовательно, массивными, тяжелыми. В турбореактивном же двигателе давления не превышают 10, самое большое— 15 кг/см², причем эти давления постоянные, не меняющиеся по времени. Поэтому большинство частей турбореактивного двигателя — либо легкие тонкостенные отливки, обычно из легких сплавов, либо детали, изготовленные из тонкого стального листа. Это делает турбореактивный двигатель более легким, чем поршневой, хотя через поршневой двигатель протекает в десятки раз меньше воздуха, чем через турбореактивный.

При большой скорости полета турбореактивный авиационный двигатель превосходит поршневой авиационный двигатель и по экономичности. Уже при скорости полета, равной 1000—1100 км/час, турбореактивный двигатель расходует на одну лошадиную силу развиваемой им мощности [2] не больше топлива, чем поршневой двигатель при максимальной скорости полета, которую он в состоянии обеспечить. С дальнейшим ростом скорости полета удельный расход топлива турбореактивного авиационного двигателя становится даже меньшим, чем удельный расход топлива поршневого авиационного двигателя. Но при уменьшении скорости полета экономичность турбореактивного двигателя резко ухудшается. Например, при скорости полета, равной 300 км/час, удельный расход топлива турбореактивного двигателя втрое больше удельного расхода топлива поршневого двигателя. Значит ли это, что турбореактивный двигатель на самолете выгоден только при очень больших, околозвуковых скоростях полета, а область меньших скоростей полета является выгодной только для самолетов с поршневыми двигателями? Нет, не значит. Но, вместе с тем простой турбореактивный двигатель не может заменить поршневой авиационный двигатель в зоне промежуточных скоростей полета, равных 500—800 км/час, так как при этих скоростях он менее экономичен, чем поршневой. Это под силу лишь газотурбинным двигателям другого типа.

Одним из таких двигателей является так называемый двухконтурный турбореактивный двигатель. Чтобы понять идею этого двигателя, вспомним, чем отличается турбореактивный двигатель от воздушного винта в отношении (метода создания тяги. Мы знаем, что и турбореактивный двигатель, и винт создают тягу, отбрасывая воздух. Разница состоит в том, что винт отбрасывает много воздуха с малой скоростью, а турбореактивный двигатель — мало воздуха с большой скоростью. Но метод создания тяги, используемый турбореактивным двигателем, выгоден лишь при большой скорости полета. Если скорость полета мала, то кинетическая энергия, приобретенная газами в двигателе, полностью не используется. Лишь незначительная часть этой энергии затрачивается на совершение полезной работы продвижения самолета в воздухе, большая же часть ее теряется, бесполезно рассеиваясь в окружающей атмосфере. Потери же кинетической энергии при работе винта сравнительно малы, так как мала сама кинетическая энергия отбрасываемого воздуха. Чем больше скорость полета, тем выгоднее становится турбореактивный двигатель, так как уменьшаются потери кинетической энергии с отходящими газами, и, наоборот, тем менее выгодным становится воздушный винт из-за увеличения потерь при его вращении. Следовательно, для того чтобы сохранить преимущества турбореактивного двигателя перед двигателем поршневым во всем диапазоне скоростей полета самолета, нужно при уменьшении скорости полета уменьшать скорость отбрасываемых газов и увеличивать их массу, т. е. как бы постепенно переходить от метода создания тяги, характерного для турбореактивного двигателя, к методу создания тяги, характерному для воздушного винта.

Конечно, трудно разработать такую конструкцию двигателя, в которой по мере уменьшения скорости полета автоматически происходило бы увеличение расхода воздуха и уменьшение скорости истечения газов. Но можно создать такой газотурбинный двигатель, который в этом отношении был бы более близким к воздушному винту, чем турбореактивный двигатель. Таким двигателем является двухконтурный турбореактивный двигатель.

Как же в этом двигателе осуществляется увеличение количества и соответственное уменьшение скорости вытекающих газов по сравнению с обычным турбореактивным двигателем? Для этой цели в двухконтурном турбореактивном двигателе в камеру сгорания направляется лишь часть воздуха, поступающего в двигатель. Эта часть воздуха в результате сжигания топлива превращается в раскаленные газы, вытекающие затем наружу так же, как в обычном турбореактивном двигателе. Другая часть воздуха направляется в обход камеры сгорания по другому каналу, или, как говорят, контуру, отчего и сам двигатель получил название двухконтурного (рис. 24). Этот воздух сначала сжимается, а затем расширяется в сопле и вытекает из двигателя с большой скоростью, хотя скорость его истечения меньше, чем скорость истечения газов, так как газы имеют гораздо большую температуру.

Конструктивно двухконтурный турбореактивный двигатель устраивается так, что либо лопатки первых ступеней компрессора делаются более длинными, вследствие чего воздух, проходящий через удлиненные части лопаток, поступает не в следующие ступени компрессора, а во второй контур (см. рис. 24, сверху), либо во втором контуре устанавливается специальный высоконапорный вентилятор, приводимый во вращение турбиной двигателя (см. рис. 24, снизу). Так или иначе, но из сопла двухконтурною турбореактивною двигателя вытекают два газовых потока: в центре — раскаленные газы, снаружи — кольцевая струя холодного воздуха; при этом расход воздуха через двигатель увеличивается, а скорость отбрасывания газовоздушной струи уменьшается. Понятно, что двухконтурный двигатель более выгоден по сравнению с обычным турбореактивным двигателем при меньших скоростях полета и менее выгоден при больших скоростях: выигрыш в одном получается за счет проигрыша в другом. В настоящее время двухконтурные турбореактивные двигатели еще не получили широкого применения, но они могут найти применение в будущем на самолетах, предназначенных для скоростных дальних перелетов, например для трансконтинентальных или трансокеанских авиалиний. Следует отметить, что первые проекты двухконтурных двигателей были разработаны К. Э. Циолковским и конструктором А. М. Люлька.

Рис. 24. Принципиальные схемы двухконтурных турбореактивных двигателей

В двухконтурном турбореактивном двигателе сделан только первый шаг на пути уменьшения расхода топлива при малых скоростях полета. В турбовинтовом двигателе сделан второй такой шаг. В турбовинтовом двигателе, как и в турбореактивном, весь воздух направляется в камеру сгорания, но газы, вытекающие из камеры сгорания, расширяются в газовой турбине полностью, а не частично, как в турбореактивном двигателе. Вследствие этого давление газов за турбиной турбовинтового двигателя равно атмосферному, поэтому газы вытекают из двигателя наружу с небольшой скоростью, создавая таким образом лишь небольшую реактивную тягу. Но зато мощность газовой турбины, которой газы передают весь свой запас полезной энергии, значительно увеличивается и становится большей, чем мощность, необходимая для привода компрессора. Таким образом получается избыточная мощность, которая используется для вращения воздушного винта. Для передачи мощности с вала двигателя на воздушный винт применяется шестеренчатый редуктор (рис. 25), без которого в турбовинтовом двигателе обойтись нельзя, так как нельзя вращать винт с таким большим числом оборотов, которое развивает газовая турбина. Для более эффективной работы газовая турбина должна вращаться гораздо быстрее, чем это допустимо с точки зрения эффективной работы воздушного винта, так как воздушный винт имеет гораздо больший диаметр. Редуктор уменьшает число оборотов воздушного винта по сравнению с числом оборотов турбины раз в 10—15, а то и более. Следует заметить, что редуктор вызвал немало трудностей при доводке турбовинтового двигателя, что было одной из причин, задержавших широкое внедрение этих двигателей в авиации. Но еще большие трудности, однако, были связаны с доводкой систем регулирования турбовинтовых двигателей.

В настоящее время можно считать, что основные трудности, задерживавшие серийное производство турбовинтовых двигателей, преодолены. Турбовинтовые двигатели, сочетающие достоинства воздушного винта как движителя для умеренных скоростей полета с конструктивными преимуществами газотурбинного двигателя, в частности гораздо меньшим «лбом» (диаметром) (рис. 26), имеют несомненные перспективы широкого применения в авиации.

Рис. 25 Турбовинтовой двигатель: а — принципиальная схема; б — двигатель на испытательном стенде

В особенности они выгодны для самолетов гражданской авиации. В будущем основным типом самолетов, летающих на местных и на магистральных авиалиниях, будут, вероятно, самолеты с турбовинтовыми, а не с поршневыми двигателями. На экспрессных же линиях будут эксплуатироваться реактивные самолеты с турбореактивными двигателями, выгодные в тех случаях, когда на первый план выступает скорость полета, а его экономичность является второстепенным фактором.

Рис. 26. Относительные размеры поршневого (сверху) и турбовинтового (снизу) двигателей при одинаковой их мощности

Рассказ о двухконтурном и турбовинтовом двигателях может вызвать у читателя неверное представление о том, что обычный турбореактивный двигатель усложняется только тогда, когда его приспосабливают к меньшим скоростям полета. Это, конечно, не так. Турбореактивный двигатель прост лишь по принципиальной схеме; в действительности он представляет собой весьма сложную машину. Дальнейшее совершенствование двигателя приводит к его постепенному усложнению, которое оказывается необходимым в связи с ростом требований, предъявляемых к двигателям современных самолетов. В подтверждение этого достаточно привести следующие два примера.

Первый пример связан с одной из тенденций развития современных турбореактивных двигателей — увеличением степени повышения давления в компрессоре двигателя. В первых турбореактивных двигателях давление воздуха в компрессоре повышалось в 3—4 раза, а теперь повышение давления воздуха в компрессоре в 6—7 раз не всегда удовлетворяет конструкторов. Но как можно достичь дальнейшего увеличения степени повышения давления? Оказывается, простое увеличение числа ступеней осевого компрессора двигателя не всегда приводит к желательному результату — двигатель с таким компрессором начинает плохо работать, в особенности при запуске и на режимах неполной мощности, т. е. на режимах пониженной тяги. Это связано с явлением так называемого помпажа, о котором будет сказано ниже. Одним из способов преодоления этой трудности является устройство турбореактивного двигателя по так называемой двухвальной схеме (рис. 27). В этом случае ротор двигателя имеет два самостоятельных вала, с двумя самостоятельными осевыми компрессорами и двумя самостоятельными турбинами, причем валы вращаются с разным числом оборотов. Оба компрессора устанавливаются один за другим, так что сначала воздух, поступивший в двигатель, сжимается в переднем компрессоре (низкого давления), а затем он поступает в следующий, задний компрессор (высокого давления). Каждый из этих компрессоров приводится во вращение своей турбиной, так что обе турбины двигателя тоже оказываются установленными одна за другой. Передняя турбина, в которую газы поступают непосредственно из камеры сгорания, имея еще большое давление, приводит во вращение задний компрессор; таким образом турбина высокого давления приводит во вращение компрессор высокого давления. Задняя турбина, в которую газы поступают после расширения в передней турбине и которая поэтому является турбиной низкого давления, приводит во вращение компрессор низкого давления — передний. Вал, связывающий турбину и компрессор низкого давления, проходит внутри полого вала, связывающего турбину и компрессор высокого давления. Понятно, что такой турбореактивный двигатель оказывается сложнее обычного, но зато он обладает и лучшими характеристиками.

Рис. 27. Принципиальная схема двухвального турбореактивного двигателя

Второй пример, свидетельствующий о конструктивной сложности современного турбореактивного двигателя, относится к его регулированию. Турбореактивный двигатель имеет вспомогательные устройства и механизмы различного назначения, к которым относится, в частности, система регулирования, выполняющая ряд важных функций.

Одной из таких функций является автоматическое поддержание заданного режима работы двигателя при изменении условий полета. Можно, конечно, возложить эту задачу на летчика, но летчик и без того занят в полете.

Другой, еще более важной функцией системы регулирования является непрерывное «наблюдение» за работой двигателя для того, чтобы полностью исключить возможность возникновения опасных режимов во время его работы. Для поршневых авиационных двигателей такими опасными режимами являются, например, режимы, при которых двигатель детонирует. Если не принять срочных мер, то детонация может привести к очень неприятным последствиям, вплоть до аварии двигателя. У турбореактивных двигателей есть свои опасные режимы работы, например, режимы, при которых происходит перегрев лопаток турбины или возникает так называемый помпаж компрессора, о котором будет идти речь ниже. Можно задачу борьбы с опасными режимами возложить и на летчика, но автоматические устройства системы регулирования сделают это не хуже, а главное своевременно. В данном случае это является решающим фактором.

Часто на систему регулирования возлагается и задача «выбора» оптимальных, наивыгоднейших режимов работы двигателя, соответствующих данным условиям полета. Такие режимы обеспечивают наименьший расход топлива, а следовательно, наибольшую возможную дальность или продолжительность полета. И эту задачу, конечно, автоматы могут выполнить лучше летчика.

Следует заметить, что на работе турбореактивного двигателя изменение внешних условий — давления и температуры атмосферного воздуха, высоты и скорости полета — сказывается в гораздо большей мере, чем на работе поршневого двигателя; он очень чувствителен к этим изменениям. Даже сравнительно небольшие изменения условий полета могут привести к существенному нарушению режима работы турбореактивного двигателя — уменьшению или увеличению развиваемой им реактивной тяги, уменьшению или увеличению расхода топлива, недопустимому увеличению температуры газов перед турбиной или же чрезмерному увеличению оборотов («разносу») двигателя.

Поэтому система регулирования турбореактивного двигателя неизбежно получается сложной. Это настоящая «нервная система» двигателя, которая имеет свои «органы чувств», реагирующие на изменение внешних условий, аналогично тому, как наша кожа реагирует на изменение температуры воздуха или глаза реагируют на свет. Она имеет и свои «тормозящие» и «регулирующие» центры, аналогично тому, как наша нервная система дает «команду» прикрыть веки, когда освещение становится слишком сильным, или заставляет отдернуть руку, коснувшуюся горячего предмета.

Как же работает «нервная система» турбореактивного двигателя? В большинстве современных турбореактивных двигателей режим работы полностью определяется числом оборотов ротора двигателя, т. е. числом оборотов компрессора и турбины. Чем больше число оборотов, тем больше и тяга двигателя. Остальные показатели, характеризующие работу двигателя, в частности расход топлива и температура газов, имеют при этом вполне определенные значения. Но имеются двигатели, у которых режим работы определяется не только числом оборотов ротора. В этих двигателях истечение газов через выхлопное реактивное сопло в атмосферу регулируется, для чего на выходе из сопла устанавливаются поворотные заслонки или же внутри сопла вдоль его оси перемещается специальная регулирующая (профилированная) игла (см. рис. 10). При этом каждому значению площади выходного сечения сопла соответствуют, даже при неизменном числе оборотов, свои, отличные от других величины тяги, расхода топлива и температуры газов. В данном случае на режим работы двигателя можно воздействовать двумя путями: изменением числа оборотов ротора и изменением площади выходного сечения сопла. Естественно, такая система регулирования режимов работы двигателя сложней, чем регулирование путем изменения только числа оборотов ротора. Тем не менее она находит широкое применение, так как обеспечивает лучшие характеристики двигателя.

Но даже в тех случаях, когда реактивное сопло имеет неизменное выходное сечение, т. е., когда режим работы двигателя полностью определяется числом оборотов ротора, регулирование двигателя оказывается весьма сложным. И это несмотря на то, что по идее регулирование в данном случае очень простое: для изменения числа оборотов остается только одно средство — изменение подачи топлива в камеру сгорания двигателя. Изменяя подачу топлива, мы изменяем режим работы двигателя по нашему желанию или восстанавливаем режим, нарушенный вследствие изменения внешних условий. Таким образом, подача топлива является одновременно и средством управления, и средством регулирования двигателя. Для первого служит так называемый «рычаг управления газом», установленный в кабине летчика, для второго — специальные автоматические устройства системы регулирования, потому что осуществить это вручную практически невозможно.

Как же работает система регулирования турбореактивного двигателя?

Познакомимся с этим на примере двигателя РД-500 (рис. 28).

Пусть самолет стоит на старте. Летчик только что запустил двигатель. Рычаг управления газом передвинут немного вперед. Это значит, что дроссельный кран, с помощью которого изменяется количество топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, чуть приоткрыт. Игла крана приподнята и открывает доступ топливу к топливным форсункам, установленным в камерах сгорания. Так как топлива в камеру сгорания двигателя впрыскивается мало, то в ней выделяется мало тепла, и мощность, развиваемая турбиной, достаточна лишь для вращения компрессора с относительно малым числом оборотов. Двигатель работает на режиме холостого хода, или малого газа.

Рис. 28. Принципиальная схема системы управления подачей топлива турбореактивного двигателя РД-500

Но вот летчик передвигает рычаг управления газом вперед. Игла дроссельного крана приподнимается больше, проходное сечение крана увеличивается, а следовательно, увеличивается подача топлива в камеру сгорания. Вследствие этого увеличивается число оборотов двигателя и развиваемая им тяга. Чем больше топлива поступает в камеру сгорания, тем выше температура газов, выходящих из камеры на лопатки турбины, тем больше число оборотов и тяга двигателя. Наконец, достигнут взлетный режим: летчик освобождает тормоза, самолет начинает разбег по взлетной дорожке и затем, оторвавшись от земли, уходит в небо.

В течение всего полета летчик непрерывно пользуется рычагом управления газом. Когда нужно увеличить скорость полета, он передвигает рычаг от себя, увеличивая тем самым подачу топлива, а следовательно, и тягу двигателя, когда нужно уменьшить скорость, — передвигает рычаг назад. Но вот летчик избрал определенный режим горизонтального полета. Теперь ему уже не нужно воздействовать на рычаг управления. Заданный режим работы двигателя поддерживается автоматами системы регулирования, реагирующими на все изменения условий полета.

Рис. 29. Анероидный сильфон — чувствительный элемент регулятора

В качестве чувствительного элемента системы регулирования часто применяется так называемый анероидный сильфон (рис. 29). Он представляет собой герметичную металлическую «гармошку» — эластичную коробку, внутри которой находится воздух. Когда давление воздуха в камере, в которой помещается сильфон, увеличивается, гармошка сжимается. При уменьшении давления она расширяется. Иногда к этой гармошке добавляется другая, реагирующая на изменение температуры воздуха. Эти гармошки являются как бы своеобразными «органами чувств» двигателя.

Очевидно, что регулятор с таким анероидом будет реагировать на изменение высоты полета, так как с увеличением высоты давление воздуха уменьшается. Ясно, конечно, что он будет реагировать и на изменение барометрического давления. Можно заставить его «почувствовать» и изменение скорости полета. В самом деле, давление встречного потока воздуха, набегающего в полете на самолет, всегда больше атмосферного. Это избыточное давление, которое носит название скоростного напора, зависит от скорости полета: оно тем больше, чем больше скорость полета. Значит, достаточно ввести внутрь камеры регулятора, в которой находится анероид, воздух, имеющий повышенное в результате скоростного напора давление, чтобы регулятор стал реагировать и на скорость полета. Для такого регулятора увеличение скорости полета равносильно, следовательно, уменьшению высоты, т. е. снижению самолета.

Итак, мы познакомились с чувствительным элементом (датчиком) регулятора (обычно такой регулятор называется барометрическим).

Но как с помощью этого датчика барометрический регулятор поддерживает постоянство режима работы двигателя при изменении условий полета?

Пусть, например, скорость полета немного увеличилась или высота полета уменьшилась. В обоих этих случаях плотность воздуха, поступающего в двигатель, возрастает и, следовательно, увеличивается вес воздуха, протекающего через двигатель. Если количество топлива, сгорающего в камерах сгорания двигателя, остается при этом постоянным, то соотношение между воздухом и топливом изменится — топливо воздушная смесь будет беднее топливом. Вследствие этого число оборотов двигателя уже не останется прежним, оно уменьшится. Чтобы восстановить заданное число оборотов, нужно «обогатить» смесь, т. е. увеличить подачу топлива. Вот эту функцию изменения количества топлива, подаваемого насосом в камеры сгорания, и осуществляет регулятор.

Иногда это делается путем перепуска топлива. В этом случае обыкновенный шестеренчатый топливный насос, подающий топливо к форсункам камер сгорания, подает его больше, чем нужно. Избыток топлива перепускается либо обратно в топливный бак, либо во всасывающую магистраль насоса. Барометрический регулятор управляет количеством этого перепускаемого топлива, так что к форсункам поступает только строго необходимое количество топлива в зависимости от условий полета.

Но иногда для этой цели применяется специальный плунжерный топливный насос переменной производительности. Барометрический регулятор изменяет подачу этого насоса так, что к форсункам поступает только необходимое количество топлива. Такая система регулирования нашла применение и на некоторых отечественных турбореактивных двигателях, в частности на двигателе РД-500.

Внутри плунжерного топливного насоса вращается на подшипниках ротор, в котором имеется несколько цилиндрических отверстий, просверленных под углом к его оси (рис. 30). В этих отверстиях перемещаются плунжеры — стальные цилиндрические поршеньки. Плунжеры прижимаются пружинами, заложенными в каждое отверстие ротора, к неподвижной, так называемой «косой шайбе». Это название шайба получила потому, что ее ось наклонена под некоторым углом к оси ротора. Ротор насоса получает вращение от двигателя при помощи шестеренчатой передачи. При этом плунжеры совершают поступательно-возвратное движение в своих гнездах — отверстиях ротора, засасывая и нагнетая топливо. Для изменения величины подачи топлива достаточно лишь изменить угол наклона «косой шайбы», что и осуществляется при помощи барометрического регулятора. При увеличении угла наклона «косой шайбы» подача топлива увеличивается, при уменьшении — уменьшается.

Барометрический регулятор имеет две камеры (рис. 31). Одна из этих камер анероидная, в ней заключен упоминавшийся выше анероид, являющийся «чувствительным» элементом регулятора. Другая камера регулятора, называющаяся клапанной, герметически изолирована от анероидной камеры упругой мембраной из фосфористой бронзы и заполнена топливом, на котором работает двигатель. В дне этой камеры имеются два отверстия — по одному из них (отверстие 3) топливо подводится в камеру, по другому (отверстие 1) —отводится из камеры во всасывающую магистраль топливного насоса. Отверстие 1 всегда открыто полностью, тогда как отверстие 3 частично перекрыто клапаном, связанным с рычагом, укрепленным на мембране, которая разделяет обе камеры регулятора. Один конец рычага опирается на анероид, другой может перемещаться в клапанной камере. Когда один конец рычага поднимается, то другой, естественно, опускается, так как рычаг поворачивается вокруг точки опоры на мембране. Значит, когда анероид по какой-либо причине сжимается, например, при уменьшении высоты или увеличении скорости полета, то опирающийся на него конец рычага поднимается. Противоположный конец рычага, расположенный в клапанной камере регулятора, опускается, уменьшая отверстие для входа топлива в эту камеру, что и используется для изменения производительности насоса.

Рис. 30. Схематический разрез и конструкция топливного насоса переменной производительности для подачи топлива в камеры сгорания турбореактивного двигателя РД-500

Рис. 31. Барометрический регулятор турбореактивного двигателя РД-500:

а —разрез; б — схема гидравлических связей с топливным насосом; в — конструкция

В корпусе насоса имеется цилиндрическая полость, в которой находится поршень с пружиной. Это — сервомеханизм, служащий для поворота «косой шайбы». Дело в том, что усилие, необходимое для поворота «косой шайбы», так велико, что создать его сразу в регуляторе оказывается невозможным. Для этой цели служит особый исполнительный элемент — сервомеханизм, поршень которого связан тягой с «косой шайбой». Когда поршень под действием пружины выдвигается из полости, в которой он находится, то угол наклона «косой шайбы» увеличивается, в результате чего производительность насоса растет.

Топливо, заполняющее полость сервомеханизма, вытекает из нее по трубке 3 (см. рис. 31,б) в клапанную камеру регулятора. Обе полости сервонасоса соединены между собой обводным каналом с находящимся в нем калиброванным отверстием — жиклером. Если давление топлива, протекающего через этот жиклер, уменьшится по какой-либо причине, то силы, действующие на поршень слева и справа, окажутся неодинаковыми. Избыточное давление на поршень при этом уравновесится пружиной, создающей необходимую добавочную силу.

Стоит анероиду регулятора слегка сжаться, что происходит при незначительном увеличении скорости или уменьшении высоты полета, как тотчас же клапан прикроет отверстие 3 и выход топлива из полости сервомеханизма уменьшится. Давление топлива в полости, в которой находится пружина, при этом немедленно возрастет и суммарное давление топлива и пружины превысит давление топлива на противоположную сторону поршня. Поршень выдвинется из полости, наклон «косой шайбы» увеличится, а следовательно, увеличится и производительность насоса: в камеры сгорания будет подаваться больше топлива.

Так регулятор поддерживает нужный состав топливовоздушной смеси, сгорающей в двигателе, чтобы сохранить постоянным его число оборотов (рис. 32).

Но барометрический регулятор выполняет не только эту одну функцию. Он обеспечивает более надежную работу двигателя, являясь в то же время предохранительным устройством, ограничивающим давление топлива в нагнетающей магистрали насоса. Необходимость в таком устройстве очевидна. Нормальное давление топлива, подводимого от насоса к топливным форсункам, обычно составляет несколько десятков атмосфер. На это давление и рассчитываются топливные трубопроводы. Но представьте себе, что по какой-либо причине, например из-за загрязнения, произойдет местное сужение проходного сечения трубопровода. Плунжерный насос будет проталкивать через суженное отверстие прежнее количество топлива, что приведет к резкому увеличению давления топлива в трубопроводе перед сужением. В результате этого трубопровод может лопнуть, что может повлечь за собой пожар на самолете. Чтобы давление топлива в трубопроводе не превосходило некоторой максимально допустимой величины, нужно уменьшить производительность насоса, как только давление достигнет этого предела. Эту функцию и выполняет барометрический регулятор. Если давление топлива, подаваемого насосом, превысит допустимый предел, немедленно прогнется мембрана 4 (рис. 33), изготовленная из упругой резины и помещенная в дне клапанной камеры регулятора. К этой мембране топливо подводится по особой трубке (трубка 2 на рис. 31,б). Прогнувшись, мембрана надавит на поршенек и поднимет иглу, упирающуюся в рычаг, расположенный в клапанной камере. Приподнявшись, рычаг увеличит выход топлива в клапанную камеру регулятора из полости сервомеханизма топливного насоса, как это происходит, например, при увеличении высоты полета.

Рис. 32. Так система регулирования турбореактивного двигателя РД-500 сохраняет постоянство числа оборотов при изменении высоты полета

Пусть высота полета увеличится. Тогда: анероид 1 — расширится; рычаг 2 — приподнимется, в клапанную коробку регулятора через отверстие 3 станет поступать больше топлива из полости сервомеханизма насоса, давление в полости 4 сервомеханизма насоса уменьшится; поршень 5 сервомеханизма передвинется вправо; угол наклона «косой шайбы» 6 уменьшится. В результате этого подача топлива в камеры сгорания уменьшится, вследствие чего число оборотов двигателя, которое с увеличением высоты полета растет из-за увеличения температуры газов, упадет до первоначального значения

В результате этого поршень сервомеханизма переместится в сторону пружины (на рис. 33 — вправо) и угол наклона «косой шайбы» уменьшится. Следовательно, уменьшится и производительность насоса, и давление топлива в трубопроводе упадет до установленного предела.

Рис. 33. Схема, иллюстрирующая, как система регулирования турбореактивного двигателя РД-500 предохраняет топливные трубопроводы от разрыва

Пусть в топливоподающем трубопроводе образовалось местное сужение 1, например, из-за отложений грязи; тогда повысится давление перед сужением в трубопроводе 2, повысится давление и в трубопроводе 3; повышенное давление передастся на мембрану 4; рычаг 5 приподнимется; в клапанную камеру регулятора через отверстие 6 станет поступать больше топлива из полости сервомеханизма насоса; давление в полости 7 сервомеханизма насоса уменьшится; поршень 8 сервомеханизма передвинется вправо; угол наклона «косой шайбы» 9 уменьшится, в результате чего подача топлива насосом уменьшится и давление в трубопроводах понизится до нормальной величины

Другое важное предохранительное устройство системы регулирования расположено в самом насосе. Оно исключает возможность «разноса» двигателя, т. е. превышения максимально допустимого числа оборотов его ротора. В некоторых типах турбореактивных двигателей основным элементом системы регулирования является центробежный регулятор, подобный применяющимся в паровых турбинах и других стационарных двигателях. Этот регулятор поддерживает постоянство числа оборотов двигателя, которое установлено летчиком. Как только число оборотов, например, возрастет, регулятор уменьшит подачу топлива до такой величины, пока число оборотов не снизится до заданного. В этом случае ограничение максимального числа оборотов не представляет трудности.

Иначе обстоит дело в описанной выше системе регулирования, которая реагирует лишь на внешние условия и не имеет центробежного регулятора. Если не предусмотреть в этой системе специального ограничителя максимальных оборотов двигателя, то не исключена возможность его «разноса».

Такой ограничитель оборотов и установлен в плунжерном насосе. Он представляет собой тоже центробежный регулятор, но только упрощенный, рассчитанный на одно определенное число оборотов — максимально допустимое. Этот регулятор не механический (он не имеет центробежных грузиков), а гидравлический. Как же он работает? Для того чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к схеме плунжерного насоса, показанной на рис. 34.

В роторе насоса высверлены радиальные отверстия, соединенные со всасывающей магистралью насоса. При работе насоса через эти отверстия вытесняется топливо под давлением, которое создается центробежной силой, возникающей в результате вращения ротора. Чем больше число оборотов насоса, тем больше центробежная сила и, значит, больше давление топлива, заполняющего полость насоса, в которой вращается ротор. Это давление является, таким образом, мерилом числа оборотов двигателя и используется для его ограничения. Для этой цели в верхней части насоса, в его крышке, установлена упругая перегородка — мембрана 3. С обеих сторон, сверху и снизу, на эту мембрану давит топливо. Но снизу давление топлива равно давлению на всасывании у насоса, а сверху оно больше, так как равно давлению в полости ротора, и создается, как указывалось выше, центробежной силой, возникающей при вращении ротора.

Чем больше число оборотов двигателя, тем больше разность давлений, пока, наконец, она не становится столь большой, что мембрана прогибается, нажимая на установленный под ней рычаг.

Рис. 34. Схема, иллюстрирующая, как система регулирования турбореактивного двигателя РД-500 предохраняет двигатель от «разноса», т. е. от превышения максимально допустимого числа оборотов

Пусть число оборотов двигателя увеличится; увеличение числа оборотов двигателя через хвостовик 1 передается ротору топливного насоса; центробежная сила топлива, вытекающего из отверстий в роторе насоса, увеличится, вследствие чего давление внутри насоса (позиция 2) возрастет; под действием повышенного давления внутри насоса прогнется мембрана 3, рычаг повернется и топливо начнет вытекать через отверстие 5 из полости 6 сервомеханизма насоса обратно на всасывание; давление в полости 6 сервомеханизма насоса уменьшится и поршень 7 сервомеханизма передвинется вправо; угол наклона «косой шайбы» 8 уменьшится, в результате чего подача топлива по трубопроводу 9 в камеры сгорания снизится до допустимой величины

Этот рычаг поворачивается вокруг своей опоры и открывает выход топлива из полости сервомеханизма насоса. Результат получается таким же, как и при увеличении высоты или уменьшении скорости полета: угол наклона «косой шайбы» уменьшается до тех пор, пока число оборотов не становится равным максимально допустимому. Чтобы можно было установить этот ограничитель на нужное максимальное число оборотов, сверху в крышке насоса имеется регулирующий винт, который сжимает пружину, воздействующую на мембрану ограничителя. Чем сильнее затянута пружина, тем меньше максимальное число оборотов двигателя, поддерживаемое ограничителем.

На рис. 35 показана общая принципиальная схема топливной системы и системы регулирования двигателя РД-500, а на рис. 36 — расположение основных агрегатов этих систем на двигателе.

Рассказ о конструкции современных турбореактивных двигателей не ограничивается, конечно, двумя приведенными примерами — его можно было бы продолжить. Эти двигатели имеют много сложных устройств и систем, обеспечивающих высокую надежность и эффективность работы двигателя.

Можно было бы рассказать, например, о различных пусковых системах, обеспечивающих быстрый и надежный запуск двигателя как на земле, так и в условиях полета вплоть до самых больших высот.

О сложности проблемы запуска современных мощных турбореактивных двигателей можно судить хотя бы по тому, что на них устанавливаются стартеры, мощность которых иной раз составляет сотни лошадиных сил. Стартер приходится устанавливать на двигателе потому, что турбина двигателя способна самостоятельно приводить во вращение компрессор только при уже достаточно большом числе оборотов. Поэтому при запуске вал двигателя приходится прокручивать с помощью стартера.

В качестве стартеров на турбореактивных двигателях применяются электродвигатели, поршневые двигатели внутреннего сгорания, подобные мотоциклетным, небольшие вспомогательные газотурбинные двигатели (один газотурбинный двигатель применяется для запуска другого), специальные пороховые пиропатроны и другие устройства.

Рис. 35. Общая схема топливной системы турбореактивного двигателя РД-500

Не менее сложной является также система электрического зажигания рабочей смеси при запуске двигателя.

Чтобы воспламенить холодную, плохо приготовленную (это неизбежно при запуске) топливовоздушную смесь, в особенности на большой высоте, где воздух разрежен, нужны очень мощные запальные устройства. Энергия электрической искры, получающейся в запальных свечах турбореактивных двигателей, должна быть больше, чем, например, энергия искры в свечах поршневых авиационных двигателей. Непрерывно изыскиваются новые способы обеспечения надежного воспламенения топлива при запуске турбореактивного двигателя. В некоторых двигателях пропускают, например, через искровой промежуток запальных свечей, установленных в камере сгорания, не один, как обычно, а два электрических разряда, один вслед за другим. Первый высокочастотный разряд как бы «подготавливает» второму путь в топливовоздушной смеси, заполняющей искровой промежуток свечи, вызывая образование в ней большого числа электрически заряженных частиц — ионов. Второй мощный разряд идет по этому наэлектризованному каналу и воспламеняет смесь. Применяют и так называемые свечи поверхностного разряда, в которых между электродами заключен специальный полупроводниковый материал. Этот материал вызывает при разряде резкое снижение электрического сопротивления газа между электродами и способствует образованию другого, рабочего разряда, воспламеняющего смесь при сравнительно низком напряжении. Эти свечи обеспечивают надежный запуск в самых трудных условиях.

Рис. 36. Расположение основных агрегатов топливной системы на двигателе РД-500

Немало хлопот доставляет конструкторам и эксплуатационникам защита двигателя от попадания в него посторонних предметов, которые могут оказаться в засасываемом в двигатель воздухе. В особенности это важно для двигателей с осевым компрессором. Сравнительно прочная крыльчатка центробежного компрессора значительно меньше повреждается, например, мелкими камешками или песком, попадающими в воздушный тракт двигателя при работе на стоянке или при рулении самолета. Перегруженные же лопатки осевого компрессора разрушаются даже при легком ударе.

Самым простым решением этой проблемы была бы установка на входе в двигатель достаточно густой защитной проволочной сетки. Но такая сетка вызывает дополнительное гидравлическое сопротивление засасываемому воздуху, что приводит к уменьшению развиваемой двигателем тяги. Это тем более неприемлемо, что сетка нужна только при работе двигателя на земле, тягу же она уменьшает в течение всей работы двигателя. Кроме того, сетка, как выяснилось, подвергается в полете обледенению, вследствие чего гидравлическое сопротивление поступающему в двигатель воздуху увеличивается еще более; сильное обледенение может вызвать даже аварию двигателя. Поэтому конструкторам приходится разрабатывать сложные устройства с автоматически убирающимися в полете защитными сетками.

Следует заметить, что автоматическая уборка в полете защитных сеток не является одновременно и решением проблемы борьбы с обледенением двигателя в полете. Если полет происходит во влажном воздухе при низкой температуре, в облаках и т. д., то образование льда может происходить не только на входных сетках, но также и на внутренних стенках входного канала, в топливных фильтрах и т. п. Это обычно приводит к перебоям в подаче топлива, уменьшению тяги двигателя из-за уменьшения количества протекающего через него воздуха и другим ненормальностям в работе двигателя. Наибольшую опасность при этом представляет попадание скалывающихся кусков льда в компрессор, в результате чего двигатель может выйти из строя. Неудивительно, что для борьбы с обледенением двигателя в полете приходится прибегать к специальным антиобледенительным устройствам, усложняющим двигатель. Иногда, например, для этой цели стенки входного канала двигателя и находящиеся в нем стойки, входные направляющие лопатки и другие детали делаются полыми. Внутри них в этом случае циркулирует горячий воздух, отводимый из компрессора.

Силовая турбина

Эта страница предназначена для учащихся колледжей, старших и средних школ. Для младших школьников более простое объяснение информации на этой странице: доступно на Детская страница.

---

Самые современные пассажирские и военные самолеты оснащены двигателями газотурбинные двигатели, которые также называют реактивные двигатели.Есть несколько разных типов газотурбинных двигателей, но все газотурбинные двигатели имеют некоторые детали в общем. Все газотурбинные двигатели имеют турбину мощностью расположен за горелкой для извлечения энергии от горячего потока и включите компрессор. Работа делается на мощность турбины горячим выхлопным потоком горелки.

Описание изображений

Внизу на рисунке показано:

• компьютерные чертежи турбореактивного двигателя с расположением турбины относительно другого двигателя компоненты справа
• только турбинная секция с центральным валом, прикрепленным к турбина слева.

На обоих рисунках турбина пурпурного цвета и вал окрашен в синий цвет. Слева конец вала будет прикреплен к компрессор, который на рисунке справа окрашен в голубой цвет. Вот анимированная версия секции турбины:

вверху слева на рисунке показывает действительную силовую турбину. Турбина, как и компрессор, состоит из нескольких рядов каскады профилей.Некоторые из рядов, называемые роторами , являются соединен с центральным валом и вращается на большой скорости. Остальные ряды, называемые статорами , являются фиксированными и выполняют не вращать. Задача статоров — удерживать поток от спирали. вокруг оси, возвращая поток обратно параллельно оси.

В зависимости от типа двигателя может быть несколькими ступенями турбины, присутствующими в двигателе. Турбовентиляторный и турбовинтовые двигатели обычно используют отдельные турбина и вал для привода вентилятора и коробки передач соответственно.Такое расположение называется с двумя катушками . двигатель. Для некоторых высокопроизводительных двигателей требуется дополнительная турбина и вал присутствует для питания отдельных частей компрессора. Этот Компоновка включает трехконтактный двигатель . Силовая турбина показано в верхнем левом углу рисунка для двухкатушечного турбовентиляторного двигателя. двигатель.

Детали конструкции

Есть несколько интересных деталей конструкции турбины, представленных на этот слайд.Поскольку турбина извлекает энергию из потока, давление уменьшается через турбину. Градиент давления помогает сохранить пограничный слой поток прилагается к поверхности лопаток турбины. Поскольку граница слой меньше отделяется на лопатке турбины чем на лопатке компрессора, перепад давления на одной ступени турбины может быть намного больше, чем увеличение давления через соответствующую ступень компрессора. Одна ступень турбины может использоваться для управления несколькими ступенями компрессора. Из-за высокого изменения давления в турбине, поток имеет тенденцию течь вокруг концов лопастей. Наконечники лопаток турбин часто соединяются тонким металлическая лента для предотвращения утечки потока, как показано на картинке вверху слева.

Лопатки турбины существуют в гораздо более агрессивной среде, чем лопатки компрессора. Находясь сразу после горелки, лопасти испытать температуру потока более тысячи градусов По Фаренгейту.Лопатки турбины должны быть изготовлены из специальных материалы, выдерживающие тепло, либо их необходимо активно охлаждать. На справа вверху рисунка мы показываем изображение одиночного, активно охлаждаемая лопатка турбины. Лезвие полое и прохладное, воздух откачивается из компрессора, прокачивается через лопасть и выходит через небольшие отверстия на поверхности, чтобы поверхность оставалась прохладной.

---

Действия:

---

Экскурсии с гидом

---

Навигация..

Руководство для начинающих Домашняя страница

GE превратила самый мощный в мире реактивный двигатель в электростанцию ​​мощностью 65 мегаватт

GE использует самый большой в мире реактивный двигатель и превращает его в силовую установку. Бьющееся сердце машины исходит от GE90-115B, который является самым большим и мощным реактивным двигателем, способным производить 127 900 фунтов тяги, согласно Книге рекордов Гиннеса. Электрогенератор, который GE называет LM9000, сможет вырабатывать колоссальные 65 мегаватт — этого достаточно для снабжения 6 500 домов — и выйти на полную мощность за 10 минут.«Мы выбрали лучшие технологии в GE и построили самый большой и самый мощный авиационный двигатель из когда-либо созданных», — говорит Маурицио Чофини из GE Oil & Gas, технический директор проекта.
Идея использования реактивных двигателей для производства электроэнергии существует уже давно. Слово «авиационный» является намеком на наследие машины, а это означает, что конструкторы позаимствовали технологию, первоначально разработанную их коллегами из аэрокосмической отрасли из GE Aviation.

Эта технология также является хорошим примером того, что GE называет магазином GE — системой обмена технологиями, исследованиями и опытом между своими многочисленными предприятиями.Сегодня в городах и заводах используются авиационные двигатели, а также нефтяные платформы и суда.

Изображение вверху: GE90 — самый мощный реактивный двигатель в мире. Этот двигатель, прикрепленный к лучшему летному испытанию Boeing 747 компании GE Aviation, заставляет скалы за взлетно-посадочной полосой летать, когда самолет набирает обороты, чтобы взлететь из Центра управления полетами GE в Викторвилле, Калифорния, расположенного в пустыне Мохаве. Изображение в формате GIF: GE Aviation. Выше и ниже: LM9000 использует основную технологию двигателя, но также включает детали, напечатанные на 3D-принтере.Он может генерировать 65 мегаватт. Изображение предоставлено: GE Oil & Gas

В конце 1950-х годов инженеры построили первое поколение авиационных двигателей GE под названием LM100 из вертолетного двигателя. Следующая машина, LM1500, имела внутренние компоненты от первого сверхзвукового двигателя GE — J79 — и вырабатывала более 10 000 киловатт. GE Power продолжала совершенствовать конструкцию, создавая авиационные производные от двигателя CF6, который используется в Air Force One и многих других Boeing 747, а также двигателя F404, используемого на военных самолетах F / A-18 Hornet и F-117 Nighthawk.Авиационные системы, основанные на этих двигателях, вырабатывают электроэнергию в отдаленных уголках мира, а также приводят в действие самый быстрый в мире пассажирский паром.

Но LM9000 выводит технологию на новый уровень. Подразделение GE Oil & Gas разработало машину для питания крупных заводов по производству сжиженного природного газа (СПГ). «Завод СПГ похож на гигантский холодильник, но вместо того, чтобы производить лед и сохранять продукты в прохладном состоянии, он превращает природный газ в жидкость, понижая температуру до минус 160 градусов по Цельсию», — говорит Тайо Монтгомери, инженер по работе с клиентами в GE Oil & Газ.Он говорит, что LM9000 настолько мощный, что позволяет операторам заводов СПГ возобновлять производство без предварительного слива хладагента со всего завода. «У него достаточно мощности и пускового момента, чем вы можете просто встать и уйти».

По данным GE, двигатели GE90 налетали 41 миллион часов с момента их первого ввода в эксплуатацию в середине 1990-х годов и имеют надежность вылета 99,98%. Они также очень легкие и относительно простые в обслуживании. «На капитальное обслуживание газовых турбин, обычно устанавливаемых на старых заводах по производству СПГ, может уйти до 24 дней», — говорит Монтгомери.«Но мы можем заменить всю турбину LM9000 за 24 часа».

Команда внесла другие изменения, чтобы оптимизировать LM9000 для промышленных приложений. Они переключили систему сгорания машины с реактивного топлива на природный газ. Машина также будет иметь камеру сгорания, напечатанную на 3D-принтере, инновационный дизайн которой позволит машине соответствовать требованиям по снижению выбросов во всем мире.

Под капотом инженеры тщетно будут искать коробку передач. Это связано с тем, что в конструкции используется архитектура турбины «свободной мощности», которая позволяет машине эффективно работать в широком диапазоне значений мощности и скорости.

В результате «LM9000 обеспечит высочайшую доступность при минимальной стоимости владения для приложений СПГ», — говорит Притам Баласубраманьям, менеджер по продукции новой машины в GE Oil & Gas. Он говорит, что LM9000 вырабатывает на 20 процентов больше энергии, может работать на 50 процентов дольше без обслуживания и выделяет на 40 процентов меньше выбросов NOx, чем существующие модели этого класса. Он говорит, что это сочетание может помочь заводам по производству СПГ снизить производственные затраты на 20 процентов.

Первую турбину планируется ввести в эксплуатацию в первой половине 2019 года.

Привлечение турбинной мощности к малым самолетам

Турбины были предпочтительными двигательными установками для больших самолетов в течение многих лет, в то время как эксплуатанты небольших самолетов вынуждены были довольствоваться поршневыми двигателями, несмотря на стремление к турбинной мощности. Проблема заключалась в том, что турбины малой мощности имеют неприемлемый КПД около 10 процентов. Теперь Turbotech S.A.S., начинающая компания во Франции, использующая решения ANSYS для вычислительной гидродинамики (CFD) и структурного моделирования, запатентовала регенеративный высокотемпературный теплообменник, повышающий эффективность турбин малой мощности в 2–3 раза.Они достигли этого за счет рециркуляции того, что обычно является отработанным теплом в выхлопных газах, для предварительного нагрева воздуха, поступающего в камеру сгорания, что приводит к уменьшению количества топлива, необходимого для выработки того же количества энергии. Turbotech рассматривает турбогенератор как «недостающее звено», которое сделает будущее гибридно-электрическим авиационным двигателем.

В то время как регенеративные турбины являются обычным явлением для крупных наземных применений, таких как многоступенчатые муниципальные генераторы энергии, сжатие конструкции, чтобы сделать ее компактной и достаточно легкой, чтобы поместиться в небольшой самолет без увеличения веса, было сложной задачей.Одним из ключей к успеху Turbotech было сотрудничество с Le Guellec Tubes & Profilés, также во Франции, над разработкой компактных недорогих микропробирок с достаточной прочностью и площадью поверхности, чтобы улавливать достаточно высокотемпературного отходящего тепла и возвращать его в подогреватель. Другим ключевым моментом было использование ANSYS CFD и ANSYS Mechanical моделирования для анализа потока жидкости, структурного и термического анализа, чтобы они могли тестировать конструкции практически без создания физических прототипов.

Рис. 1. Турбовинтовой двигатель TP-R90 (Фото: Turbotech)

Turbotech является участником программы стартапов ANSYS, которая предоставляет стартапам решения моделирования с большими скидками, чтобы они могли использовать технологию моделирования для ускорения времени разработки и экономии затрат, избегая этап создания физических прототипов.Сотрудничество с ANSYS имело фундаментальное значение, поскольку оно позволило небольшой команде инженеров получить доступ к тем же ресурсам, что и крупные аэрокосмические компании, с которыми она конкурирует.

«Нам нужно было поддерживать высокую производительность очень большого двигателя, резко снижая стоимость и размер», — говорит Жан-Мишель Гимбар, соучредитель и главный технический директор турбомашиностроения Turbotech. «Мы могли достичь этого только с помощью моделирования. Это было сложной задачей, но это стало возможным благодаря нашему сотрудничеству с ANSYS.»

Два продукта для двух рынков

Компания Turbotech применила двойной подход к разработке своих продуктов: турбовинтовой двигатель и турбогенератор. центр тяжести, для обычных 4-поршневых двигателей в небольших самолетах и ​​вертолетах. В турбовинтовых двигателях скорость турбины снижается с помощью стандартной коробки передач для привода гребных винтов. TP-R90 был создан, чтобы удовлетворить потребность в более легких и тихих , более надежные и менее дорогие заменяемые двигатели.

Рис. 2. Турбогенератор TG-R55 (Фото: Turbotech)

Турбогенератор TG-R55 более перспективен, он предназначен для использования в транспортных средствах с электрическим приводом, например в транспортных средствах с вертикальным взлетом и посадкой (VTOL), которые будут использоваться в робототехнике. -такси и дроны доставки в секторе автономных полетов будущего. Здесь электрическая машина приводится в движение с той же скоростью, что и турбина, что устраняет необходимость в коробке передач для дальнейшего снижения веса.

Объявленный Turbotech «первым легким турбовинтовым двигателем с низким потреблением топлива», TP-R90 весом 64 кг (сухой вес) вырабатывает 90 кВт непрерывной мощности за счет сжигания различных видов топлива, включая Jet-A1, дизельное топливо, UL91, АВГАЗ и биотопливо.Этот сверхтихий двигатель без вибрации потребляет 18–25 л / час топлива Jet-A1 на крейсерской скорости. Его надежность отражена в технических характеристиках межремонтного периода (TBO) в 3000 часов.

Турбогенератор TG-R55 — первая бортовая электрическая генераторная установка, предназначенная для гибридно-электрической авиационной промышленности. Этот турбогенератор массой 55 кг (сухой вес) обеспечивает непрерывную мощность 55 кВт, работая на Jet-A1, дизельном топливе и биотопливе. Его также можно приспособить для работы на водороде, чтобы обеспечить полет без вредных выбросов.Он потребляет 15-22 л / час топлива Jet-A1 на крейсерской скорости и может проработать 3000 часов между капитальными ремонтами.

Все последние демонстрации вертикальных взлетно-посадочных полос и роботакси питаются от батарей, время работы которых составляет всего 5–10 минут, что едва ли достаточно для практического использования. За счет подзарядки аккумуляторов в полете турбогенератор TG-R55 увеличивает запас хода до нескольких часов, одновременно повышая надежность и избыточность системы для повышения безопасности.

Рисунок 3. Схема турбогенератора Turbotech TG-R55

На рисунке 3 показано, как работает TG-R55.Теплообменник справа содержит микротрубки, которые улавливают горячие выхлопные газы и рециркулируют их обратно в камеру сгорания; это ключевая технология, отличающая продукт Turbotech. Механическая целостность теплообменника имеет решающее значение для производительности и срока службы. ANSYS Механическое моделирование показало, что смещения из-за теплового расширения отличаются от тех, которые были предсказаны первоначальными ручными расчетами. Это раннее обнаружение потенциальных проблем с надежностью или производительностью вселило в инженеров Turbotech уверенность, что значительно ускорило процесс проектирования.Микропробирки были также разработаны с помощью ANSYS Mechanical Simulation для проверки структурной целостности и ANSYS CFD для анализа потока жидкости в газах и выполнения термического анализа.

Газовая турбина в центре представляет собой специально разработанную регенеративную турбину, способную эффективно управлять впрыском рециркулирующих газов. Турбина соединена непосредственно с модулем электрического генератора с высокой удельной мощностью слева, который обеспечивает электричеством для подзарядки батарей.

Добавление 40 кг Jet-A1 к этому турбогенератору массой 55 кг дает 130 кВт-ч из пакета 95 кг — самое высокое соотношение мощности к весу среди всех технологий аккумулирования электроэнергии. Литий-ионные батареи с таким же количеством энергии будут весить около одной метрической тонны. Если вы возьмете машину и добавите тонну, она все равно будет работать, хотя бы медленно. Самолет с дополнительной тонной просто не взлетит, поэтому требуется более высокая удельная энергия турбогенератора, чтобы сделать эти машины жизнеспособными и летными.

Еще 40 кг топлива удваивает выходную мощность до 260 кВт-ч в упаковке 135 кг, в то время как эквивалентная мощность в литий-ионных батареях будет весить две метрические тонны.Ясно, что если вы хотите летать в воздухе, исключительное преимущество в весе гибридно-электрической турбогенераторной системы — единственный выход.

Имейте в виду, что эта выходная мощность является непрерывной, а не прерывистой, как переменная выходная мощность двигателя автомобиля. Постоянная мощность подвергает турбогенератор гораздо большей нагрузке, что требует дополнительных усилий на этапе проектирования. В ANSYS было проведено механическое моделирование, чтобы убедиться, что компоненты турбогенератора могут выдерживать это дополнительное напряжение в течение ожидаемого времени между капитальными ремонтами.

TG-R55, разработанный для вертикального взлета и посадки на 4-6 пассажиров, уже отработал несколько тысяч часов в протоколах испытаний. Инженеры Turbotech сейчас работают над турбогенератором следующего поколения мощностью 90 кВт, который будет весить всего на 5 кг больше, чем версия на 55 кВт. Масштабируемость заложена в этой технологии.

Эта статья написана Биллом Кулпом, ведущим менеджером по продукту, бизнес-подразделение по жидкостям, ANSYS (Канонсбург, Пенсильвания). Для получения дополнительной информации посетите здесь .

---

Aerospace & Defense Technology Magazine

Эта статья впервые появилась в апрельском номере журнала Aerospace & Defense Technology за апрель 2020 года.

Прочитать больше статей из этого номера здесь.

Больше статей из архива читайте здесь.

ПОДПИСАТЬСЯ

Турбины

и поршни — журнал Plane & Pilot

ПОРШНИ. В то время как самолет с турбинным двигателем должен летать высоко, чтобы оправдать свои расходы, поршневые двигатели не осознают таких серьезных потерь эффективности при полете ниже.

Однажды в дождливую субботу у моего ангара зашел друг с интересным вопросом.Ему было любопытно, что я думаю о выборе между высококачественными поршневыми синглами и турбовинтовыми двигателями. Несколько лет назад не было бы никаких вопросов, какой из них я бы порекомендовал и почему. Сегодня выбор не так прост.

Как известно каждому, кто не жил под камнем последние десять лет, авгаз уже некоторое время подвергается нападкам. Неважно, что его влияние на качество воздуха незначительно и что за последние 30 лет содержание свинца сократилось на 50%. Игнорируйте тот факт, что нефтеперерабатывающим предприятиям труднее получить прибыль на таком малом объеме топлива, и, соответственно, долгосрочное будущее авгаза находится под вопросом.Авгаз становится дефицитом во многих удаленных районах планеты и полностью недоступен в большей части южной части Тихого океана, некоторых частях Юго-Восточной Азии и некоторых направлениях на Ближнем Востоке.

Дело в том, что однодвигательные турбовинтовые двигатели становятся более разумной альтернативой первоклассным поршневым двигателям. Да, существует значительная разница в цене, если вы сравниваете новую топовую модель поршня под давлением с самой дешевой корпоративной одиночной турбиной.

В наши дни Piper Mirage 2012 года, несомненно, самый высококлассный поршневой сингл на планете, имеет вкладку списка чуть более 1 миллиона долларов.Напротив, Piper Meridian 2012 года, версия того же самолета с двигателем P&W PT6A, стоит почти вдвое больше. (Доступно несколько других серийных одномоторных турбовинтовых двигателей: TBM850, Pilatus PC-12 и Extra 500, а также несколько модификаций — Jetprop DLX на базе PA-46; Silver Eagle, основанный Cessna P210N; Beech A-36. на основе Tradewinds; Soloy Turbine 206 и другие, но для простоты мы ограничим наш анализ двумя трубопроводами.)

Вопрос в том, что лучше купить и как вы определяете «лучше»? Есть ли какие-либо факторы, которые предполагают, что вам следует потратить дополнительные деньги на турбину, а не на мощность поршня?

С самого начала вы должны учитывать важную нематериальную ценность, которую сложно оценить, — безопасность.Если бы мы все имели неограниченные деньги, мы, вероятно, были бы летать в двухместный турбин, что делает все дискуссионные спорным. Но предположим, что вы можете позволить себе купить любую из двух указанных выше Пайперов. Какие факторы следует учитывать при оценке?

Во-первых, важно помнить, что самолет с турбинным двигателем ДОЛЖЕН летать высоко, чтобы оправдать свои затраты, в то время как машины с поршневым двигателем не осознают таких серьезных потерь эффективности из-за полета ниже. Если вам нравится смотреть на достопримечательности с высоты менее 15 000 футов, возможно, турбина не для вас.Piper Meridian лучше всего работает на эшелонах полета выше 20000 футов, где часто внизу нечего видеть, кроме тумана.

Мельница Lycoming TIO-540 мощностью 350 л.с. для Mirage — это хорошо зарекомендовавшая себя мельница, которая использовалась в различных формах в течение почти 40 лет (на Piper Chieftain и Mojave, Aerostar и других), и она оказалась одной из самых надежных и прочные силовые установки. При правильном обращении со стандартным периодическим обслуживанием, правильным наклоном и минимальным охлаждением шоковым двигателем он может легко превысить рекомендованный Lycoming 2000-часовой межремонтный интервал.

Газотурбинный двигатель Pratt & Whitney PT6A — поистине феноменальная машина, обладающая удивительной надежностью и столь же впечатляющим сроком службы. В частности, двигатель Meridian PT6A-42A мощностью 500 л.с. имеет межремонтный ресурс 3600 часов, и он может даже избежать дорогостоящего капитального ремонта горячей секции, если будет установлена ​​электронная система отслеживания тенденций. PT6A по своей природе более плавный, чем большие поршневые двигатели, просто потому, что у него всего около 10 движущихся частей, и все они движутся в одном направлении.

---

ТУРБИНЫ.Турбина отличается удивительной надежностью и впечатляющим сроком службы. Он по своей сути более гладкий, чем поршневой, при этом замечательно компактен и легок.

Lycoming имеет сложную систему, состоящую как минимум из 260 частей: штоков, поршней, клапанов, подъемников, распределительных валов, подшипников, приводных цепей, ремней и т. Д., Многие из которых вращаются влево, вправо, вперед, назад, вверх и вниз, чтобы производить мощность. Lycoming по-прежнему на удивление плавный, но у него нет шансов работать так же равномерно, как турбина Meridian P&W.

Конечно, вы платите за дополнительную надежность турбины. Он работает при гораздо более высоких температурах, а турбина вращается со скоростью 45 000 об / мин, поэтому турбовинтовой двигатель должен быть сконструирован из чрезвычайно жаропрочных металлов и хорошо сбалансирован, чтобы выдерживать вращательные силы.

Турбинные двигатели необычайно компактны и легки по сравнению с поршневыми мельницами. Модель Meridian PT6A мощностью 500 л.с. сравнительно мала и весит немногим более 300 фунтов, в то время как крупнокалиберный двигатель Lycoming с турбонаддувом мощностью 350 л.с. на Mirage весит около 450 фунтов.Это требует рассмотрения как конструкции, так и веса и баланса. Фюзеляж Meridian удлиняется на фут больше, чем у Mirage, и все дело в более длинном носу, позволяющем контролировать точку равновесия самолета.

Турбины

не так эффективны, как поршневые мельницы, но разница не так велика, как вы могли подумать, если учесть повышенную производительность. На оптимальной высоте Meridian расходует около 31 галлона в час по сравнению с 20 галлонами в час на Mirage, примерно на 50% больше. Это связано с тем, что поршневые двигатели более эффективны и имеют более низкий удельный расход топлива (.43 фунта / л.с. / час) по сравнению с турбинами (0,58 фунта / л.с. / час).

В качестве частичной компенсации, Meridian набирает максимальную высоту, 28 000 футов, примерно за половину времени и движется примерно на 40 узлов быстрее, чем Mirage. (Фактически, Meridian одобрен для полетов на высоте 30 000 футов, но лишь немногие из них оборудованы RVSM для работы на высоте более 28 000 футов.)

В качестве частичного противовеса эффективности avgas, он неэффективен, если вы его не найдете. Реактивное топливо часто дешевле, чем авиационный газ, и более доступно во всем мире.(Несколько лет назад я доставил Cessna 421 компании в Субик-Бей, Филиппины, только чтобы через год вернуться и переправить самолет обратно в штаты. Руководители компании устали ограничивать свои пункты назначения аэропортами с использованием бензина. и решил купить King Air C90.)

Дополнительное сжигание топлива турбиной также влияет на полезную нагрузку. Реактивное топливо на 13% тяжелее, чем авиационный газ, поэтому Meridian должен нести больший вес топлива, чтобы управлять разумным запасом хода, в частности, 150 галлонов против.120 галлонов на Mirage. Большая мощность Meridian позволяет сертифицировать его на 5092 фунта, что почти на 800 фунтов тяжелее Mirage, но Piper с верхним поршнем по-прежнему имеет на 150 фунтов больше полезной нагрузки, чем Meridian.

Логику страхования всегда сложно определить, и вы будете платить непропорционально более высокую премию, чтобы управлять турбиной. Судя по всему, только пилоты признают легкость и простоту полета за реактивным самолетом. Оба типа требуют высокопроизводительных проверок на большой высоте, но по причинам, не имеющим ничего общего с историей несчастных случаев, страховые компании, похоже, не хотят признавать преимущества турбины.

Наконец, следует учитывать стоимость перепродажи. Если вы сравните семилетний Mirage с меридианом того же возраста, Mirage потерял около 37% своей стоимости, тогда как Meridian снизился примерно на 39%, разница невелика.

Мне посчастливилось летать на обоих типах самолетов, в том числе около дюжины международных рейсов. Хотя это не делает меня экспертом, я буду брать турбину каждый раз. (Мне легко сказать. Мне не нужно за это платить.)

RV-10 с турбинным двигателем

Как и Дороти из Оз, я знал, что этот демонстрационный полет будет совершенно другим.Это открытие поразило меня в тот момент, когда Делэнд, генеральный директор Turbine Solutions Group из Флориды, и пилот-испытатель Питер Пирпонт указал на переключатель запуска двигателя в центре приборной панели, чуть выше единственного рычага включения, находящегося в положении холостого хода, и чуть ниже Garmin. 650 GNS заправлен в панель для IFR. Он сказал: «А теперь щелкни выключателем».

Я сделал это, и с тихим свистом топлива, шепотом вращающихся лопастей и легким хлопком зажигания, FADEC на турбовинтовом двигателе TP 100 под длинным изогнутым капотом спереди загорелся.От выхлопных газов, обдуваемых фюзеляжем, чувствовался легкий запах Jet A, но мощный кондиционер (еще одна активация одним переключателем) быстро его смыл.

Питер Пирпонт, генеральный директор Turbine Solutions Group, в своей любимой роли летчика-испытателя.

Большой 80-дюймовый специально изготовленный металлический винт Hartzell с тремя лопастями, увлекаемый свободной турбиной типа PT-6, начал вращаться, и под давлением масла он вышел из пера. Удивительно, но вибрации не было. Никакой дрожи при запуске двигателя или раскачивании опоры, даже малейшего мерцания, ощущаемого ступнями моих ног на половицах.И это было относительно тихо (эта относительность связана с рычащим Lycoming IO-540 на передней панели моего RV-10).

Квадрант дроссельной заслонки самолета прост: всего один рычаг для перемещения.

В течение минуты мы были на 53% мощности с рычагом на холостом ходу, как показано на 10,4-дюймовом Advanced Flight Systems 5600 PFD / MFD перед нами. На этой панели их два, так как есть два практически всего, кроме Garmin 650 GNS, двигателя и стойки Hartzell на этом экспериментальном заводском демонстраторе RV-10 от Turbine Solutions Group (TSG).Моя работа в тот день заключалась не только в том, чтобы увидеть, как он летит, но и в том, чтобы летать на нем, посмотреть, как он работает, и почувствовать, каково это — летать на RV-10 с современным двигателем, работающим на Jet A. зеленый, я отпустил тормоза, и самолет начал катиться примерно с правильной скоростью, чтобы исключить необходимость в мощности или более чем легком нажатии на тормоза для скругления углов (у RV-10 есть носовое колесо свободного хода, поэтому для поворотов необходимо некоторое торможение). К тому времени, когда мы достигли конца взлетно-посадочной полосы, мы завершили наши проверки кабины, и двигатель, который, в отличие от поршневого двигателя, не требует доработки, был готов к работе.Спонсор освещения выставки

Airshow: Роб Хикман, основатель Advanced Flight Systems, работал с Turbine Solutions Group над интерпретацией данных CAN от TP 100 и их правильным отображением на экранах AFS 5600 в самолете.

В воздухе

Взлет прошел несложно. На мгновение выключите кондиционер. Подайте мощность на 85% N1, следите за 2158 об / мин на N2, затем, когда все отображается зеленым на приборах двигателя, отображаемых в нижней части экрана AFS, мы отпустили тормоза и переместили рычаг мощности до упора вперед.Затем блок управления двигателем, оснащенный FADEC, дал нам 100% мощности для условий ISA +15 F, и мы почувствовали приятное нажатие на сиденье от ускорения. Вращение потребовало меньшего обратного давления, чем у моего зверя с двигателем Lycoming (мой нос заметно тяжелее с двумя пассажирами на переднем сиденье — машина TP 100 чувствовала себя хорошо сбалансированной при той же нагрузке).

Flying — Один взгляд позволяет понять, что это не обычный RV-10. Демонстрационный образец концепции Turbine Solutions Group на целых 10 дюймов длиннее, чем RV-10 с поршневым двигателем IO-540.Растяжка была необходима, чтобы самолет оставался в CG с легким турбовинтовым двигателем TP 100 впереди.

Pierpont удерживал скорость 103 узла в наборе высоты, выдавая 1700 футов в минуту вверх, вверх, вверх! Если бы я проделал это в своем RV-10 с двигателем Lycoming более трех минут в любое время, кроме холодного утра, я бы увидел, что мои CHT начнут светиться. TP 100 RV-10 может удерживать это положение и настройку мощности в течение всего пятиминутного 100% -ного ограничения мощности, а затем продолжать движение с мощностью 97,5% и скоростью 1500 футов в минуту прямо на любой высоте, которую вы для него установили.Температура выхлопных газов и температура на входе в турбину остались на низком уровне. Большие черпаки спереди выполняли свою работу — охлаждение не является проблемой для этой установки.

FADEC и блок управления двигателем расположены на задней стороне двигателя. Сертифицированная версия TP 100 потребует двойного FADEC — компонент готов для добавления еще одного компьютера.

Теперь, ради удовольствия от этого быстрого восхождения, вам предстоит пройти через множество утонченных мертвых динозавров, я должен вас предупредить. Не то чтобы мой Lycoming был таким трезвенником на полной мощности (он сжигает 25 галлонов в час на полном газу на уровне моря).TP 100 расходует 32 галлона в час Jet A на 100% мощности.

Уровень на высоте 6500 м над уровнем моря и мощности 97%, расход топлива установился на 21,7 галлонов в час для отображения 173 узлов TAS (данные, загруженные с самолета, позже показали, что мы достигли 175 узлов TAS). Мой Lycoming будет сжигать 11,5 галлонов в час, чтобы развивать скорость TAS 170 узлов при наклоне. RV-10 с двигателем TP 100 несет вдвое больше топлива, чем я, потому что он будет сжигать больше. Его крыльевые баки (четыре) предназначены для простой операции слева / справа. Гравитация подает топливо из нестандартных внешних резервуаров из стекловолокна во внутренние металлические резервуары.Резервные топливные насосы гарантируют, что перед газовой турбиной никогда не будет недостатка в питании.

На малой крейсерской скорости, 95% N1 самолет потратил 19 галлонов в час за 162 TAS. Примечание: это неокрашенный планер. В дальнейшем это может пойти быстрее. В настоящее время компания взяла несколько узлов от доработки формы и угла выхлопной трубы. Обтекаемый дизайн носовой части тоже не повредил. Пьерпон отметил, что большинство операторов воспользуются способностью турбовинтового самолета летать высоко и будут вознаграждены расходом топлива, близким к 15 галлонам в час между 12 000 и 18 000 м / с, и более высокими истинными воздушными скоростями, а также возможность улавливания более благоприятных ветров, что должно повысить фактическую эффективность оператора. Еще больше.Двигатель разогнался в барокамере до 29 000 мсл без каких-либо негативных последствий. По словам Пьерпона, на данный момент больше беспокойство вызывает то, как крыло, подобное тому, что на RV-10, будет работать выше 18000 м над уровнем моря, чем то, как будет работать двигатель.

Тебе кажется, что морда длинновата? Двигатель TSG значительно легче Lycoming IO-540. Его крепление прикрепляется к опоре мотора оригинального фургона и сдвигает двигатель на несколько дюймов вперед.

То же, но другое

Обслуживание в полете было номинальным.В конце концов, это RV-10, и, если он правильно сконструирован, этот планер известен своим послушным поведением. Глядя на длинный, скошенный капот турбовинтового двигателя передо мной, у меня сложилось впечатление, что мы летим чуть опущенным носом — но это было всего лишь иллюзией. До кончика винта обтекатель RV-10 с приводом от TP 100 почти на 10 дюймов длиннее стандартного. После пары поворотов на 360 градусов я начал правильно смотреть на горизонт и оценил лучший обзор и более легкое ощущение тангажа. (по сравнению с моим самолетом).Чистая скорость сваливания на этой высоте составляла около 57 узлов по IAS и прямая, без провала крыла.

Работа Кристиана Скоппе с композитами очевидна в уникальном носовом стакане и лопатках для испытаний RV-10 Turbine Solution Group.

У этого планера не было дифферента руля направления, и в нем не было необходимости. Возможно, из-за конструкции планера или из-за небольшого угла наклона двигателя и капота, который помог ему лететь прямо. Как я узнал позже, длинный нос был необходимой модификацией, призванной помочь компенсировать сверхлегкий вес двигателя, который составляет всего 156 фунтов во влажном состоянии.Двойные батареи, металлический трехлопастной винт и мощная система кондиционирования воздуха были установлены впереди, чтобы заставить компьютерную графику работать.

С более легким двигателем вес в 120 галлонов топлива (при этом более тяжелое топливо) не сильно снижает значительную полезную нагрузку для самолета, потому что TSG сохранила легкий планер испытательного стенда: вес пустого составляет всего 1560 фунтов. Двойные баки в каждом крыле должны обеспечивать более чем достаточную дальность действия для машин с TP 100. Мой самолет несет половину этого топлива, но затем, в крейсерском режиме на высотах ниже 10 000 м / я, он потребляет газ чуть более чем в два раза меньше, чем TP 100 сжигает свой Jet A.
Концептуальный самолет TSG с длинным тонким носом кажется немного лучше моего. К тому времени, когда мы были на базовой ноге для приземления, мощность практически была отключена, и мы подрезали нос, чтобы увеличить скорость закрылков. Мы подготовились к приземлению со скоростью около 60 узлов, перебравшись через забор. Даже без бета-режима (поворот лопастей винта, чтобы заставить их толкать, а не тянуть), самолет легко замедляется до такси с низкой скорости приземления. Пирпон сказал мне, что будет бета-режим, как и дополнительный мозг FADEC для резервирования, когда чешская компания PBS Velka Bteš, производитель двигателя, пройдет сертификацию EASA и FAA.Это все в планах.

Необычный портрет уникального самолета: РВ-10 с турбовинтовым двигателем ТП 100 мощностью 241 л.с. чешского производства.

TP 100 Подробности

Достопочтенный PBS Велк Бтеш разработал TP 100 в рамках проекта Европейского Союза по эффективным системам и движению для малых самолетов (ESPOSA), четырехлетнего партнерства, охватывающего 15 стран, включая 18 компаний, 11 центров разработки и 10 университетов с общим бюджетом 37,7 миллиона евро (45,93 миллиона долларов). Компания PBS была нанята для этого проекта из-за ее многолетней истории производства двигателей и компонентов двигателей для авиакосмической промышленности, а также ее большой и опытной рабочей силы и репутации производителя качественной продукции.Двигатель, один из двух, разработанных для этого проекта, развивает в этом варианте мощность 241 л.с. плюс 9 лошадиных сил и в настоящее время проходит испытания на польском тандемном одномоторном самолете с толкающим двигателем в дополнение к RV-10.

«Это тот двигатель, который действительно требует создания специально созданного самолета», — сказал мне Пьерпон, когда мы сидели в кабине на рампе после выключения двигателя и наблюдали за AFS, показывающим, как срабатывает небольшой блок охлаждения двигателя. для запуска пятиминутного цикла охлаждения.У него на уме дизайн и даже заказчик. «Его так просто установить», — объяснил он в ангаре, указав на одно топливо и два электрических соединения, проходящих через брандмауэр. При установке RV-10 компания TSG решила придерживаться заводской подвески двигателя фургона и установить легкий TP 100 на собственном креплении, непосредственно на опоре приклада. «Два человека должны быть в состоянии установить этот комплект в полевых условиях за пару часов, как мы это сделали», — улыбнулся Пьерпон.

Для ППП самолет оборудован сенсорным экраном Garmin GTN 650.

Он уверен, что, если двигатель будет сертифицирован, он найдет много удобных капотов, в которые можно уместиться среди стареющего парка поршневых самолетов по всему миру. «Seneca — идеальная платформа, готовая к переоборудованию с легким турбовинтовым двигателем», — сказал он. Mooneys, Cessnas и Pipers, все, что сейчас имеет мощность от 210 до 250 л.с. и бензобаки приличных размеров, подойдет.

Конечно, учитывая снижение цен на бензин, трудно представить себе необходимость модернизации двигателя, чтобы сжигать менее дорогой Jet A здесь, в США.С. Однако это не так сложно представить в Европе, Азии, Африке, Тихоокеанском регионе или даже в Центральной Америке и Карибском бассейне. Спросите у мастера по всему миру или у паромного пилота. Спросите любого, кому до того, как он туда приехал, доставили и поставили бочку с бензином на удаленной заставе. Они скажут вам, что почти повсюду в мире автомобильный газ сложно, смехотворно дорого или просто невозможно найти. Если TP 100 сертифицирован, он будет востребован как модернизация стареющих поршневых двигателей во всем мире.И если он будет продаваться на этих рынках в больших количествах, вы можете поспорить со стоимостью производства и, в конечном итоге, со стоимостью приобретения, и, при хорошем отчете о надежности, стоимость обслуживания снизится.

TP 100 — это легкий и компактный способ разместить 241 л.с. на RV-10.

Но сейчас этот двигатель находится в стадии НИОКР, и это проявляется в консервативных пределах проверки и замены, продиктованных его руководством по эксплуатации. «Мы ожидаем, что они будут быстро увеличиваться, поскольку теперь двигатель на испытательном стенде в Чешской Республике отработал более 1600 часов», — сказал Пьерпон.За исключением обязательных проверок один раз в год или в заранее определенных циклах, двигатель практически не требует регулярного обслуживания. Проверяйте масло, меняйте масло и проверяйте его через интервалы, предписанные производителем, и, по словам Pierpont, оно должно работать безупречно.

Поскольку газотурбинный двигатель, все это, вплоть до времени капитального ремонта силовой установки и предельного срока службы, будет определено, чтобы вы тщательно следовали ограничениям эксплуатации экспериментального самолета, утвержденным FAA, если вы решите лететь сзади. (или перед) одним.Да, это отличается от того, как FAA проводит эксперименты с поршневыми двигателями. Хотите установить мощность турбины на свой экспериментальный самолет в США? Вы подчинитесь.

Внутренности. Компрессорная секция двигателя Walter, проходящего техническое обслуживание в TSG.

И вы вернетесь в Делэнд, штат Флорида, для удовлетворения всех ваших потребностей в обслуживании в рамках этой сделки. «Мы будем заводским сертифицированным сервисным центром для двигателя TP 100 здесь, в Северной Америке», — пояснил Кристиан Скоппе, президент Turbine Solutions Group (TSG).«После того, как TP 100 будет сертифицирован FAA, мы также станем сертифицированной FAA ремонтной станцией для двигателей», — продолжил он.

Это не первая турбина, которую TSG ремонтирует и восстанавливает. Как Dimech Turbines, Скоппе работает над турбовинтовыми двигателями GE Walter 601 с 1991 года, и в настоящее время он ремонтирует эти двигатели и их аксессуары. Объект включает испытательную камеру двигателя, обширное ангарное пространство, сложное оборудование для балансировки турбин, инвентарь запасных частей, устранение неисправностей блока управления топливом, капитальный ремонт и кондиционирование винта AVIA, а также опытных технических специалистов, доступных как для обслуживания на месте, так и на месте.

Сколько это будет стоить?

Что TSG хочет от пакета firewall-forward, который она разрабатывает для RV-10 (да ладно, я знаю, вы хотите знать)? «Мы надеемся предложить его по цене от 168 000 до 175 000 долларов США», — сказал Скоппе. Этот конкретный проект является детищем Скоппе, и его работа очевидна в чистых линиях капота, форме и изгибе углеродно-керамических выхлопных труб и в целом простой установке пакета. Скоппе знает, что многие из его клиентов будут из далеких мест, а некоторым не будет оказываться техническая поддержка на месте.Он хотел, чтобы все было в режиме plug-and-play. Эта цель близка.

Пока компания ожидает завершения исследований и разработок двигателя и получения сертификатов EASA и FAA, она готова продать экспериментальную версию. «Мы заинтересованы в трех двигателях для проекта Velocity, который мы надеемся завершить в начале 2015 года, и есть несколько других, заинтересованных в установке его на RV-10. Скоп уже договорился о выгодной цене еще на пять двигателей от PBS и надеется, что цена останется прежней.«Завод PBS большой, на нем работает 750 сотрудников. Двум из них требуется около недели, чтобы собрать, проверить, разобрать, проверить и собрать двигатель для отправки », — продолжил он.

«Деньги на НИОКР, уже вложенные в этот проект, и приверженность ЕС технологии легких турбин в качестве замены поршневых двигателей вселяют в меня уверенность в том, что этот двигатель будет выставлен на сертификацию», — сказал Пьерпон. Стремление ЕС к более чистому небу и полное исключение авиационного газа в пределах своего воздушного пространства с его ведущим компонентом указывает на радужное будущее легких газотурбинных двигателей, таких как TP 100.

Тем не менее, сертификационные бюро, такие как EASA и FAA, не торопятся. Сейчас, когда мы вступаем в середину второго десятилетия 21 века, мы можем только надеяться, что прогресс в процессах сертификации будет идти в ногу с вдохновляющими инновациями наших инженеров.

Авиационные двигатели (часть вторая) Мощность и вес

Полезная выходная мощность всех силовых установок самолета — это тяга, сила, приводящая в движение самолет. Поскольку поршневой двигатель рассчитан на тормозную мощность (л.с.), газотурбинный двигатель рассчитан на мощность тяги (л.с.):

Значение 375 миль-фунтов в час получено из основной формулы мощности следующим образом:

Одна лошадиная сила равна 33000 фут-фунт в минуту или 375 миль на фунт в час.В статических условиях тяга оценивается примерно как 2,6 фунта в час.

Если газовая турбина производит тягу 4000 фунтов, а самолет, на котором установлен двигатель, движется со скоростью 500 миль в час, то значение thp составит:

Необходимо рассчитать мощность в лошадиных силах для каждой скорости самолета, поскольку мощность зависит от скорости. Следовательно, нецелесообразно пытаться оценивать или сравнивать мощность газотурбинного двигателя на основе лошадиных сил.Авиационный двигатель работает на относительно высоком проценте своей максимальной выходной мощности на протяжении всего срока службы. При взлете двигатель самолета работает на полную мощность. Он может удерживать эту мощность в течение определенного периода времени до пределов, установленных производителем. Двигатель редко выдерживает максимальную мощность более 2 минут и обычно не так долго. В течение нескольких секунд после отрыва мощность снижается до мощности, которая используется для набора высоты и может поддерживаться в течение более длительных периодов времени.После того, как самолет наберет крейсерскую высоту, мощность двигателя (ов) дополнительно снижается до крейсерской мощности, которая может поддерживаться в течение всего полета.

Если вес двигателя на каждую тормозную мощность (называемую удельным весом двигателя) уменьшается, полезная нагрузка, которую может нести самолет, и его летно-технические характеристики, очевидно, увеличиваются. Каждый лишний фунт веса, переносимый авиационным двигателем, снижает его производительность. Значительное улучшение в снижении веса авиационного двигателя за счет улучшенной конструкции и металлургии привело к созданию поршневых двигателей с значительно улучшенным удельным весом (удельной массой).

Бортовой механик рекомендует

Наземный блок питания, запуск газовой турбины, запуск турбины

Учебное пособие по питанию 24 В и 28,5 В

Часто задают вопрос: почему два значения напряжения иногда используются одновременно? Наличие обоих означает, что при работе с электрическими системами самолета создается некоторая путаница. Далее следует упрощенное объяснение, которое — за некоторыми исключениями — применимо к большинству самолетов.

Практически все выпускаемые сегодня самолеты имеют электрическую систему на 24 В.Преимущество источника питания на 24 В (в отличие от 12 В на старых самолетах) заключается в экономии веса и снижении стоимости из-за требований к меньшему сечению проводов. Таким образом, авиационные батареи теперь представляют собой блоки на 24 В, состоящие из двенадцати элементов по 2 В. Чтобы быть немного более точным, каждая 2-вольтовая ячейка фактически показывает около 2,125 + вольт без нагрузки или 25,5 вольт для полной 24-вольтовой батареи.

Для зарядки 24-вольтовой батареи необходимо подать более высокое напряжение, чтобы передать электрическую энергию в батарею.Это достигается за счет того, что судовой генератор / генератор работает через регулятор напряжения, вырабатывая 28,5 вольт + или -. Поэтому, когда генератор / генератор работает, электрическая система самолета работает при напряжении выше 24 вольт. В этой ситуации напряжение в электрической системе поддерживается выше 24 В даже при нормальной нагрузке.

GPU и портативные аккумуляторы

При приложении нагрузки к батарее напряжение будет падать при увеличении нагрузки.Для запуска турбины идеально, если это падение будет сведено к минимуму.

Большинство стартеров или двигателей / генераторов на газотурбинных двигателях рассчитаны на напряжение 30 В без повреждений. При первом включении стартера наблюдается наибольшая потребляемая сила тока. Эта сила тока может превышать 1000 ампер на некоторых газотурбинных пусковых двигателях. По мере запуска потребность в силе тока уменьшается на протяжении всего цикла запуска. В результате высоких нагрузок, связанных с запуском, аккумулятор должен быть в хорошем состоянии, чтобы минимизировать падение напряжения.Конечно, при более низких уровнях напряжения аккумулятор будет выдавать меньше тока. Некоторые стартеры разряжают исправную батарею до 15 вольт во время первой фазы запуска.

Большинство производителей двигателей (турбин) в настоящее время рекомендуют запуск при напряжении 28,5 В, если таковой имеется, чтобы минимизировать падение напряжения. Обычно это достигается с помощью какого-либо внешнего блока питания заземления (GPU). В этом сценарии для газотурбинного двигателя лучше всего, если на стартер поступает 20 процентов (или более) энергии, что приводит к более быстрому и более холодному запуску, что увеличивает срок службы турбины.Кроме того, с точки зрения технического обслуживания, используя 28,5 вольт, можно проверить различные электрические компоненты самолета под нагрузкой выше 24 вольт.

В заключение, справедливо сказать, что всегда рекомендуется выбирать пуск с напряжением 28,5 В, если он доступен. Start Pac® предлагает два настоящих аккумуляторных блока на 28,5 В с использованием 14 ячеек.

28,5 VS 24 Падение напряжения

См. Следующий график, на котором сравниваются контроллеры START PAC® на 28,5 В и контроллеры START PAC® на 24 В. Как ясно, более высокое напряжение доступно в течение всего цикла запуска 28.5-вольтовые модели.

Нажмите здесь, чтобы увидеть график сравнения всех 6 моделей

Температура батареи

Все аккумуляторы страдают от низких температур. При воздействии сильного холода аккумуляторные батареи самолетов не выдают достаточно энергии для запуска газотурбинного двигателя. Низкие температуры меньше влияют на высокотехнологичные свинцово-кислотные аккумуляторы, используемые в установках START PAC®, чем на большинство авиационных аккумуляторов. Однако даже эти высокотехнологичные батареи будут хуже работать при более низких температурах.

Срок службы батареи

В большинстве случаев срок службы батареи зависит от цикла. Чем больше пластины аккумулятора подвергаются нагрузке или циклически переключаются, тем быстрее они изнашиваются. Наихудший сценарий был бы, если бы они были переключены от полностью заряженных до почти разряженных; при таком использовании можно оптимистично ожидать около 400 циклов. Однако, если одновременно используется только небольшой процент емкости, можно ожидать до 1200 циклов.

Очень важно зарядить аккумулятор как можно скорее после использования, чтобы предотвратить сульфатацию; это условие значительно снизит мощность и производительность START PAC®.Кроме того, важно избегать полного разряда аккумулятора, так как иногда он переходит в состояние обратного хода и не подлежит ремонту.

При правильном обслуживании и эксплуатации батареи START PAC® прослужат несколько лет, прежде чем потребуется их замена.

Емкость аккумулятора по сравнению с падением напряжения

Распространенное заблуждение, что две батареи одинакового напряжения, но разной емкости будут иметь одинаковое падение напряжения под одной и той же нагрузкой: не всегда верно. Фактически, батарея с большей емкостью будет иметь меньшее падение напряжения из-за большей площади поверхности пластины.Поскольку нагрузка по существу распределяется по большей площади, химический состав батареи меньше подвержен влиянию. На следующем графике сравниваются все модели START PAC® на 24 В. Если вам нужно много раз запускать между зарядками, всегда стоит выбрать устройство с большей емкостью.

Щелкните здесь, чтобы сравнить модель 1324-1QC, модель 2300QC и модель 3324

Мысли о вольтметрах

Вольтметр — важный инструмент, помогающий пилоту запускать газотурбинные двигатели.Любая батарея или графический процессор будут иметь нормальное падение напряжения при запуске. Если пилот увидит аномальное падение напряжения, он прервет старт, чтобы избежать «горячего» старта. Это показывает, как вольтметр можно использовать для определения состояния аккумулятора и низкого уровня заряда только после того, как аккумулятор находится под нагрузкой. Если он не находится под нагрузкой, даже разряженная батарея будет иметь почти полное нормальное напряжение. По этой причине START PAC® не использует встроенный вольтметр; это не показатель уровня заряда, а также увеличивает стоимость.Есть несколько электронных индикаторов, которые могут измерять уровень заряда, но они очень дороги.